马铃薯糖苷生物碱的体外效应：靶向病原体的选择性抑制与植物防御机制解析

　　本综述系统探讨了马铃薯糖苷生物碱（PGAs）在作物保护中的应用潜力。研究通过体外实验证明α-卡茄碱（α-chaconine）对植物病原体（如线虫Heterodera schachtii和真菌Leptosphaeria maculans）具有显著抑制效应（浓度≤25 ppm时线虫移动减少43%，感染率降低63%），而对有益微生物影响微弱（生长抑制≤19%）。其作用机制涉及膜透性改变（通过甾醇结合）和活性氧（ROS）爆发调控。研究强调了PGAs（特别是α-chaconine）作为环境友好型生物农药的开发价值，其选择性毒性为可持续农业提供了新方向。

　　

马铃薯糖苷生物碱的植物毒性效应导致拟南芥种子萌发和幼苗发育受损

植物保护化合物不应危害植物萌发和生长。为探究PGAs的植物毒性及拟南芥生态型Col-0在后续实验中的适用性，研究使用α-茄碱和α-卡茄碱的六种浓度（5、10、25、50、75和100 ppm）进行了初步实验。通过制定从“未萌发”到“根系和茎叶系统发育良好”的等级标准评估发育阶段。种子萌发（即种皮破裂和胚根出现）未受任一化合物影响（α-茄碱萌发成功率≤92.1%，α-卡茄碱≤71.05%），与0.1%二甲基亚砜（DMSO）对照组相当。但α-卡茄碱在25 ppm时已表现出严重的植物毒性（发育减少<97%）。该实验为后续拟南芥实验中选择不引起表型干扰的糖苷生物碱浓度提供了关键依据。

α-卡茄碱对线虫存活率、寄生性和发育的有害影响

通过一系列实验研究了α-茄碱和α-卡茄碱对甜菜胞囊线虫（Heterodera schachtii）的影响。首先将二期幼虫（J2）在含有不同浓度（2.5至50 ppm）化合物的溶液中浸泡96小时评估直接影响。总体而言，无论浓度如何，死亡率随时间推移而下降，但两种化合物均未显著影响J2存活率。随后在添加5、10或25 ppm化合物的琼脂上观察J2移动能力，发现α-茄碱不影响移动，而α-卡茄碱呈浓度依赖性抑制，25 ppm时显著削弱移动。在双选择实验中，只有α-卡茄碱显著降低J2吸引力：无根时降低约45%，有根时降低54.7%。选用10 ppm浓度进行感染实验发现，α-茄碱不影响线虫寄生，而α-卡茄碱显著减少每株成虫数量（雌虫减少46%，雄虫减少72%），雌虫大小和产卵量未受显著影响。

糖苷生物碱诱导拟南芥根部快速强烈的氧化反应并有证据表明其抑制诱导剂引发的活性氧产生

鉴于PGAs能降低线虫对拟南芥根部的吸引和感染，研究进一步检测了它们引发或修饰根部活性氧（ROS）合成的能力。暴露于任一化合物均立即引发强烈但瞬时的浓度依赖性ROS爆发。α-茄碱在50 ppm时ROS水平达到2.4×10⁴ RLU，10 ppm时为1.3×10⁴ RLU。α-卡茄碱引发的氧化反应更强：10 ppm时约为3.5×10⁴ RLU（高2.6倍），50 ppm时约1.3×10⁶ RLU（高55倍）。为检验PGAs是否改变对flg22的ROS反应，将拟南芥根部用10 ppm化合物预孵育过夜，洗涤后用flg22处理。预处理的ROS反应呈降低趋势，α-茄碱的降低幅度略大于α-卡茄碱。

PGAs影响真菌和卵菌的发育

五种不同真菌和一种卵菌在添加不同PGA浓度（15.13–250 ppm）的琼脂上生长，并在对照组菌丝覆盖达80%时进行评估。两种PGA均减少病原菌落生长，但对多数病原体，α-卡茄碱比α-茄碱更有效。例如62.5 ppm时，α-茄碱对禾谷镰刀菌（Fusarium graminearum）生长的抑制比α-卡茄碱弱4.35倍。 Leptosphaeria maculans最敏感，250 ppm α-卡茄碱抑制7%生长。相反，卵菌终极腐霉（Pythium ultimum）的生长仅受α-茄碱处理削弱，α-卡茄碱无显著影响。有益真菌中，绿色木霉（Trichoderma viride）不受影响，但 Drechslerella stenobrocha 的生长在62.5 ppm α-茄碱和31.25 ppm α-卡茄碱下受损。

PGAs对细菌生长的差异化影响

PGAs对细菌生长的影响不同，α-茄碱的抑制作用通常较弱。将丁香假单胞菌（Pseudomonas syringae pv. aptata）和枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）悬浮液与不同浓度（0.98–125 ppm）的每种糖苷生物碱共同孵育72小时。 125 ppm α-卡茄碱使P. syringae生长改善18.5%。对B. subtilis，较高浓度PGA导致生长减少（125 ppm α-茄碱减少15.2%，62.5 ppm和125 ppm α-卡茄碱分别减少15.3%和28.6%），而较低浓度α-茄碱（最高7.81 ppm）显示积极影响。

讨论

本研究检测了α-茄碱和α-卡茄碱对各种生物生长和存活的影响，旨在探讨PGAs在开发新型植物保护产品中的应用潜力。目标和非目标生物的选择基于农业相关性，重点关注植物寄生胞囊线虫、关键植物病原体和有益生物。在几乎所有测试组中，α-卡茄碱均表现出比α-茄碱更强的效应，在相同或更低浓度下造成更大损害。

测试拟南芥Col-0时，α-茄碱在100 ppm时仍不损害幼苗发育，而α-卡茄碱在25 ppm时已具危害性。生物碱植物毒性的典型症状包括种子萌发减少、下胚轴缩短以及根和芽生长抑制。研究中，暴露于α-茄碱和α-卡茄碱的植物毒性浓度后无法进一步发育的幼苗仅出现胚根，或形成下胚轴和小子叶而无根系。

关于植物寄生胞囊线虫H. schachtii，仅α-卡茄碱负面影响线虫寄生和发育。该PGA降低线虫移动性（25 ppm: 40%）、吸引力（10 ppm, 有拟南芥根: 55%；无根: 45%），并减少雌雄虫数量（10 ppm: 46% 和 72%）。类似结果见于马铃薯胞囊线虫Globodera pallida，其中茄属糖苷生物碱α-澳洲茄碱、α-澳洲茄边碱及其苷元澳洲茄胺处理减少感染和繁殖，可能源于膜破坏和感觉感知抑制。

PGAs在微生物中的活性主要涉及其通过与含甾醇膜相互作用改变膜流动性，最终导致膜破坏。根据Keukens的脂质体模型，苷元茄啶以1:1比例插入脂双层，初始可逆。随着苷元与甾醇比例增加，糖苷生物碱的糖部分不可逆相互作用，形成刚性基质，最终导致膜裂解。

α-茄碱和α-卡茄碱的活性差异归因于其糖部分。两者共享相同苷元（solanidine），但碳水化合物侧链不同：α-茄碱含茄三糖组（葡萄糖-半乳糖-鼠李糖），α-卡茄碱具卡茄三糖组（鼠李糖-葡萄糖-鼠李糖）。连接甾醇核的碳水化合物类型和序列直接影响糖苷生物碱活性。含有卡茄三糖的糖苷生物碱通常比含茄三糖组者活性更高。在茄属物种的害虫和病原体中，这些糖苷生物碱具有摄食威慑和降低繁殖率等生理效应。携带鼠李糖分子的生物活性亦见于其他化合物，如糖脂。

线虫感染实验的观察促使研究该效应是否与PGA触发的植物防御反应改变有关。通过测量暴露于α-茄碱和α-卡茄碱后拟南芥Col-0根部ROS积累 addressed 这一问题。结果通常显示接触化合物后立即爆发强烈ROS，随后迅速下降至接近零，并在评估剩余时间内保持在阴性对照组以下。考虑到Wi等人描述的双相ROS动态，推测化合物的强烈暴露可能引发急性氧化反应，导致解毒机制激活和ROS中和，并在恢复期持续。

关于可能的 priming 效应，在第二次触发flg22前施用α-茄碱或α-卡茄碱均未增加ROS反应。这些结果与Bredenbruch等研究二鼠李糖脂时的发现形成对比。其研究中，经二鼠李糖脂处理后，后续对flg22的ROS曲线发生改变，反应显著增强。结论是这些分子作为引发刺激，使植物在遇到如flg22等生物或生物相关胁迫二次刺激时反应更强烈。本研究案例中，一种可能解释是PGAs的甾醇结合特性赋予其成孔能力。这可能通过与谷甾醇、豆甾醇和菜油甾醇相互作用破坏拟南芥根细胞膜。

在正常条件下，细胞膜未破坏，但存在受损或胁迫邻近细胞释放的损伤相关分子模式（DAMPs）时，FLS2等受体表达上调，模式触发免疫（PTI）激活。成孔PGAs的膜破坏使FLS2和BAK1等受体和共受体错误定位，flg22结合和聚类可能受损，导致ROS积累减少和/或延迟。此外，植物变得虚弱，无法防御外部感染。该效应可能影响线虫感染，因为这些寄生虫需要健康无胁迫植物成功侵染和发育。尽管这些观察明确显示10 ppm PGA无引发活性，仍建议进一步分子水平研究以更好理解糖苷生物碱在植物防御机制中的确切作用。

关于对微生物的影响，PGAs已展示有前景的抗真菌特性。近期研究探索了其抑制真菌和卵菌生长的有效性，表明其影响因病原物种、浓度和实验条件而异，本研究亦观察到该现象。比较真实真菌和卵菌的结果，可见测试PGA类型和浓度的差异。一种可能解释涉及膜甾醇组成。据Gaulin等，不同界存在不同类型的甾醇分子。真菌含麦角甾醇，卵菌最可能含羊毛甾醇和/或褐藻甾醇（顺序：水霉目）。某些代表（顺序：霜霉目）甚至无法合成甾醇，必须从宿主获取。由于α-茄碱和α-卡茄碱的活性先前涉及甾醇结合及随后膜成孔，内源甾醇的缺失可能是影响PGA有效性的关键因素。

细菌案例中，丁香假单胞菌致病变种（P. syringae pv. aptata）在暴露于125 ppm α-卡茄碱时显示小幅生长增加。一种可能解释是其外膜性质。作为革兰氏阴性菌，P. syringae pv. aptata 拥有富含脂多糖的外膜，可能增强其对化合物的抗性。该结构屏障可能降低其对糖苷生物碱的敏感性。另一方面，枯草芽孢杆菌（B. subtilis）作为革兰氏阳性菌，缺乏保护性外膜，受α-卡茄碱负面影响（62.5和125 ppm），而α-茄碱在低浓度下轻微减少其生长。低浓度促进生长与高浓度抑制生长 observed here 可能表明在 hormesis 框架内存在双相毒性模式。据Calabrese和Mattson，hormesis是生物系统（细菌、植物和人类）中存在的 resilience 现象，其中低剂量有毒物质激活保护过程信号，如酶诱导、存活基因上调和胁迫响应通路激活，改善整体机体。此外，某些细菌如节杆菌属、沙雷氏菌属和碱芽孢杆菌属可代谢糖苷生物碱，利用分解产物生长。假单胞菌属内，荧光假单胞菌（P. fluorescens）已显示可解毒PGAs，但丁香假单胞菌（P. syringae）中的机制大多未探索。

总体而言，这些发现突出了PGAs的生物特异性效应，α-卡茄碱对关键植物病原体和寄生虫如L. maculans和H. schachtii表现出强活性，但对有益微生物的影响可变。尽管这些结果指示了PGAs可能如何影响不同生物，但暴露方法（生物在培养基中与化合物永久直接接触）是人为的，需要利用植物保护实践中更常见的其他施用方法（如土壤浇灌或喷雾）进行验证研究。本体外研究的阳性结果强调需要进一步研究以充分理解PGA的体内效应和作为合成植物保护产品可持续替代品的潜在应用。扩大研究至更广泛生物范围对弥合实验室结果与农业实际应用间的差距至关重要。