PNAS | 美国弗吉尼亚理工大学揭示植物病原真菌全新的孢子传播方式！

植物病原真菌的孢子在大气中传播分三个阶段：通过一些主动或被动方法从宿主中释放出来，通过生物或非生物因素漂移，以及沉积到新宿主上（Nature Microbiology | 澳门大学研究揭示病原真菌在不同环境中提高存活率的机制！）。主动释放机制的例子包括渗透压驱动的禾谷镰刀菌的子囊孢子的喷射和由于布勒氏液滴的化学分泌而从担孢子梗尖端喷射的掷孢子。在没有风的情况下，由此产生的传播距离是孢子重量和初始排放速度的函数，排放范围从担子孢子的40 µm到火炮真菌的6m。被动的释放和传播机制，如风雨飞溅，可以在植物中传播真菌病害。为了让风成功地释放干燥的孢子，通常需要异常强烈或突然的阵风。相比之下，雨水飞溅可以通过将动量传递给叶子以发射孢子或通过将孢子附着在飞溅的液滴上来从植物中释放孢子。主动方法或雨水溅出的孢子在无风的情况下只能散播很短的距离，但在中等风中携带时，可以传播数公里。

最近的一项研究报告了一种全新的病原体释放模式，在超疏水小麦叶子上聚结的露滴以相当大的速度（0.1 至1.0 m/s）跳跃，并携带附着的植物病原真菌孢子。从机制上讲，平面外运动是由于聚结过程中膨胀的液桥撞击底部基板时对称性破坏的结果（图1A）。虽然这项初步研究描述了在没有风的情况下孢子的跳跃液滴释放，但它没有考虑随后的传播或沉积，这最终决定了病害传播的速度。本研究表征了叶锈病菌孢子通过跳跃液滴凝结从患病小麦叶片中释放出来后的扩散。探索了两种不同的场景：分别在没有和存在风流的情况下的短程和长程漂移和沉积（图1 B 和 C）。结果发现，即使是低风速 (0.5 m/s) 也能够将多达100个跳跃的液滴和25个孢子分散到被露水浸透的病叶下风向的单片叶子上。量化露水循环期间病叶中真菌孢子的释放和扩散的能力提高了我们对植物内部和植物之间疾病传播的理解。

图 1. 通过跳跃液滴凝聚传播孢子

2021年8月，国际权威学术期刊PNAS发表了美国弗吉尼亚理工大学Jonathan B. Boreyko团队的最新相关研究成果，题为Synergistic dispersal of plant pathogen spores by jumping-droplet condensation and wind的研究论文。

一些真菌病害通过微小孢子通过空中传播在作物内部和作物之间传播。现有的研究已经表征了孢子通过风或雨飞溅的释放和传播。本研究表明，即使在完全没有雨或强风的情况下，从超疏水性小麦叶子上自发跳出的露珠也可以驱散附着的孢子。结果发现跳跃液滴效应导致在没有风的情况下短程孢子传播。当跳跃的水滴悬浮在温和的风中时，远程传播是可能的，这是一种协同效应，因为单独的风无法驱散干燥的孢子。最后，本研究展示了积极的措施，例如使用杀菌剂来抑制跳跃液滴凝结，可以防止露水引起的病害传播。

植物病原体是造成全球农作物年产量损失的原因，并对全球粮食安全构成重大威胁。许多植物病害流行的必要前提是孢子的短程传播，这可能会在田间产生多个病灶。需要关于植物病原体在易感植物内部和之间传播的机制的新信息。本研究展示了自走式跳跃露滴与低风流协同工作，可以将植物病原真菌的孢子推进到静止边界层之外，并将它们分散到下风向的邻近叶子上。一系列水平的水敏纸被用来模拟健康的小麦叶子，并表明在单个露水循环期间，高达25 个孢子/小时可以沉积在受感染叶子的下风处。这些发现表明，即使在没有雨水溅落或强风的情况下，单个露水循环也可以将大量真菌孢子散布到其他小麦植物中。

图 2 无风条件下孢子扩散

图 3. 低至中风条件下的孢子传播

图 4. 孢子的湿散布优于干散布

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