發(fā)展能夠最大限度地減少環(huán)境影響的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。在化學(xué)農(nóng)藥仍然占據(jù)主力的今天，病蟲害綜合治理（IPM）的概念有效地結(jié)合各種防治策略，已被廣泛接受，包括利用天敵、生物農(nóng)藥、昆蟲不育等手段。
“目前，化學(xué)農(nóng)藥是農(nóng)業(yè)疾病控制的支柱，但它們會(huì)污染土壤并損害生態(tài)系統(tǒng)?！比毡緰|北大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究生院副教授 Sugihiro Ando 說，“我們需要開發(fā)植物病害控制技術(shù)，以幫助建立可持續(xù)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。利用植物免疫力是最有效的疾病控制方法之一，因?yàn)樗昧酥参锏南忍炜剐?，?duì)環(huán)境的影響很小?！?/span>
植物一直受到病原體攻擊的威脅，并利用防御機(jī)制來保護(hù)自己。但是，由于防御響應(yīng)對(duì)于植物來說成本高昂，并不總是被激活，而是需通過“免疫啟動(dòng)”才能開啟。這個(gè)機(jī)制能讓植物“記住”來自病原體的攻擊，并在感染風(fēng)險(xiǎn)高時(shí)有效地激活防御反應(yīng)。
近日，Sugihiro Ando 的研究組利用一種“氣體”激活了植物對(duì)疾病的免疫力。該研究成果以“Activation of plant immunity by exposure to dinitrogen pentoxide gas generated from air using plasma technology”為題發(fā)表于 PLOS ONE 期刊。
這是一種怎樣神奇的氣體呢？要從看似與植物疾病相去甚遠(yuǎn)的“等離子體”開始說起。
等離子體（Plasma），是繼固體、液體和氣體之后的第四種物質(zhì)狀態(tài)，可以被認(rèn)為是“電離氣體”，是一種高能狀態(tài)，例如我們?cè)谧匀唤缰锌梢钥吹降拈W電或極光。其特征在于帶電的高能粒子，可以形成自由基等高反應(yīng)態(tài)。
大氣壓空氣等離子體可以在大氣壓下由低功率（<100 W）的空氣產(chǎn)生，這些電力可由可再生能源提供。由于制造大氣壓空氣等離子體所需的能源少，以及這種等離子體能夠產(chǎn)生具有生物活性的活性氧（ROS）和活性氮（RNS），大氣壓空氣等離子體正在作為醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域潛在的可持續(xù)技術(shù)而受到關(guān)注。
大氣壓空氣等離子體產(chǎn)生的典型反應(yīng)產(chǎn)物包括作為 ROS 的臭氧（?O3）、一氧化氮（NO）、二氧化氮（NO2）和作為 RNS 的五氧化二氮（N2O5）。而 ROS 和 RNS 是植物免疫反應(yīng)中的重要信號(hào)傳導(dǎo)因子。當(dāng)植物感知到來自病原體的感染性刺激時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生 ROS 和 RNS 開啟防御反應(yīng)。
“眾所周知，一些活性物質(zhì)與植物激素，如水楊酸，茉莉酸和乙烯，是植物免疫反應(yīng)中的重要信號(hào)傳導(dǎo)因子，但人們對(duì)五氧化二氮的特定生理功能知之甚少?！?a target="_blank" >Ando 說，“由于已知活性物質(zhì)在植物免疫中具有重要功能，我們分析了植物暴露于五氧化二氮后其抗病性的變化。”
五氧化二氮合成和儲(chǔ)存的困難阻礙了學(xué)者對(duì)其影響植物生理功能的探索。在這項(xiàng)研究中，研究人員使用該實(shí)驗(yàn)室在先前工作中開發(fā)的大氣壓等離子體裝置制備了五氧化二氮，該設(shè)備具有專為植物暴露實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的電氣控制裝置。
研究人員將通常用作植物研究模型的擬南芥暴露于五氧化二氮?dú)怏w中，每天20秒，持續(xù)三天。然后，將三種不同類型的常見植物病原體分別接種到擬南芥，分別是灰霉病菌 Botrytis cinerea（真菌）、假單胞菌 Pseudomonas syringae pv. tomato DC3000（細(xì)菌）、黃瓜花葉病毒 Cucumber mosaic virus strain yellow（病毒）。
結(jié)果顯示，被感染真菌或病毒的植物表現(xiàn)出對(duì)病原體的抑制，而被細(xì)菌感染的植物與對(duì)照相似。
“這些結(jié)果表明，可以利用五氧化二氮?dú)怏w，針對(duì)不同病原體的類型控制植物病害”Ando 說。
遺傳分析顯示，五氧化二氮特異性地激活了茉莉酸和乙烯信號(hào)通路，似乎導(dǎo)致抗菌分子的合成。
這項(xiàng)研究證明五氧化二氮作為植物病害控制的新技術(shù)，具有發(fā)展?jié)摿?。另外，五氧化二氮與水反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硝酸，而硝酸可以被植物用作氮營(yíng)養(yǎng)的來源。因此，五氧化二氮幾乎不存在環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)。且生產(chǎn)五氧化二氮的耗能較低，是一種低成本和環(huán)保的技術(shù)，可有助于建立可持續(xù)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。
接下來，研究人員計(jì)劃在溫室栽培中研究這項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，也將在田間條件下進(jìn)行驗(yàn)證。
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