《Biocatalysis and Agricultural Biotechnology》：Enhancing Crop Biomass and Disease Resistance Using Moringa oleifera-Derived Copper and Copper (I) Oxide Nanoparticles for Sustainable Food Security
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萨姆拉·伊巴德（Samra Ibad）|阿姆娜·艾哈迈德（Amna Ahmed）|玛丽亚·哈米德（Maria Hamid）|伊什拉特·贾米尔（Ishrat Jamil）|赛达·卡玛鲁尼萨（Syeda Qamarunnisa）|扎伊努尔·阿比丁（Zainul Abideen）|约翰
萨姆拉·伊巴德（Samra Ibad）|阿姆娜·艾哈迈德（Amna Ahmed）|玛丽亚·哈米德（Maria Hamid）|伊什拉特·贾米尔（Ishrat Jamil）|赛达·卡玛鲁尼萨（Syeda Qamarunnisa）|扎伊努尔·阿比丁（Zainul Abideen）|约翰·T·汉库克（John T. Hancook）|阿里·埃尔-凯布拉维（Ali El-Keblawy）
巴基斯坦卡拉奇大学植物学系
摘要
由Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (FOL)引起的枯萎病对全球番茄生产构成了严重威胁。本研究探讨了使用从Moringa oleifera叶提取物中提取的环保型铜/氧化铜（Cu/Cu?O）纳米颗粒（Cu/Cu?O NPs）来防治这种疾病的同时提高作物产量的方法。表征技术确认了这些纳米颗粒的特性，包括在320纳米处具有表面等离子体共振峰，并且呈球形，平均尺寸为69纳米。纳米颗粒的傅里叶变换红外（FTIR）分析显示存在Cu-O键和金属铜，而X射线衍射（XRD）分析则显示了金属铜的特征峰以及氧化铜的存在。体外抗真菌试验表明，100 ppm的Cu/Cu?O NPs能显著抑制FOL的生长，抑制率为79.40%。
在15%的真菌胁迫下，番茄植株的生长、生物量、叶绿素含量和酚类化合物均有所下降，病害严重程度增加。然而，应用25–100 ppm的Cu/Cu?O NPs后，病害抗性及生理参数明显改善。在100 ppm浓度下，植株的营养生长、生物量分配、叶面积比、相对含水量、脯氨酸、酚类和黄酮类化合物均显著提高，同时病害严重程度（0.6）和发病率（8%）也有所降低。果实品质参数，包括直径、水分含量、维生素C含量和果实数量，在病原体胁迫下也得到了显著改善。
Cu/Cu?O NPs可以渗透到维管组织中，干扰FOL的定殖，并激活植物的防御系统，从而改善水分状况和抗氧化剂的产生。本研究显示Cu/Cu?O NPs既具有抗真菌作用，又可作为生物刺激剂，为提高作物抗性和产量提供了一条不依赖传统农用化学品的可持续途径。
引言
全球食品安全在很大程度上依赖于农业，但其生产力正受到土壤肥力下降、养分循环效率低下和作物疾病日益严重的威胁，这些因素共同导致产量和质量的下降（Acharya和Pal，2020；Sahoo等人，2021）。其中，真菌病原体尤其具有破坏性，估计造成了70–80%的农作物损失（Atiq等人，2020）。番茄（Lycopersicon esculentum）是一种富含维生素、矿物质和抗氧化剂番茄红素的营养重要作物，极易受到此类威胁（Hadley等人，2002；Olaniyi等人，2010）。番茄栽培受到由土壤传播的真菌Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici (FOL)引起的枯萎病的严重影响，这可能导致每年60–70%的产量损失（Singh等人，2015；Bawa，2016）。FOL会侵染植物的维管系统，破坏水分和养分的运输，导致植株枯萎、黄化甚至死亡（Singh等人，2017；Abdallah等人，2019）。由于环境毒性、病原体抗性和健康风险，传统的化学杀菌剂管理方法越来越不可持续（Damalas和Eleftherohorinos，2011），因此迫切需要寻找环保替代方案。
纳米技术为作物保护和增产提供了创新解决方案。金属和金属氧化物纳米颗粒显示出良好的抗真菌性能（DalCorso等人，2014；Dizaj等人，2014；Zhu和Liao，2015；Balaure等人，2017）。铜和氧化铜纳米颗粒因其强大的抗菌活性、成本效益以及促进植物生长的潜力而备受关注（Kanhed等人，2014）。此外，混合铜/氧化铜纳米颗粒还能增强抗菌效果并提高二氧化碳（CO?）的吸收能力（Alekseeva等人，2024；Dahal等人，2025）。然而，化学合成的纳米颗粒可能对环境造成污染，对土壤和有益微生物产生毒性及氧化应激（Valko等人，2005；Ivask等人，2010；Morgunov等人，2017；Duhan等人，2017）。
绿色合成方法通过利用生物提取物生产纳米颗粒，降低了生态影响（Ashraf等人，2021；Syeda等人，2022；Hu等人，2023）。植物叶提取物特别有效，因为它们含有丰富的还原和稳定植物化学物质的成分（Nadaroglu等人，2017）。Moringa oleifera是一种生长迅速的树木，因其药用、营养和抗菌特性而受到重视（Syeda和Riazunnisa，2020），是绿色合成的理想候选材料。其叶片中含有高水平的黄酮类、酚类和生物碱，有利于生产稳定且具有生物活性的铜纳米颗粒（Asensi等人，2017；Pariona等人，2019；Kumar等人，2020；Anjum和Riazunnisa，2022）。最新研究表明，源自Moringa的纳米颗粒在抑制真菌病原体和增强植物生理韧性方面具有双重潜力（Khan等人，2019；Truong等人，2023；Rizwan等人，2025）。
我们的研究在之前基于铜/氧化铜（Cu/Cu?O NPs）的实验室研究基础上进行了扩展，解决了一个关键的实际问题：这些混合Cu/Cu?O NPs在真实植物体内的疾病压力下的表现如何。虽然早期的研究已经在培养皿和幼苗上展示了它们的潜力，但我们进行了详细的实验，对象是感染了枯萎病的成熟番茄植株。这使我们不仅能够测量到病害的减少情况，还能获得对作物生产实际重要的结果——包括维生素C和蛋白质含量等果实品质指标、水分状况和叶绿素水平等植物健康指标，以及植物自身的生化防御机制。我们还测试了不同浓度的Cu/Cu?O NPs，以确定控制病害和促进植物生长的最有效剂量。通过这种方式，我们的工作为将这种环保纳米技术从实验室应用到实际可持续农业提供了可操作的证据。
为解决这些问题，本研究旨在：（1）使用Moringa oleifera叶提取物合成并表征Cu/Cu?O NPs；（2）评估它们对FOL的体外抗真菌效果；（3）评估它们在番茄植株中对枯萎病的体内保护作用；（4）研究它们在病原体胁迫下对植物生长、生理参数和果实品质的影响。通过将绿色纳米技术与植物病理学相结合，本研究旨在推进提高作物产量和抗性的可持续策略，从而为全球食品安全做出贡献。
章节片段
**植物材料及提取物制备**
从巴基斯坦卡拉奇大学收集了Moringa oleifera的绿叶，洗净后晾干14天。将干燥的叶子与100毫升去离子水混合，在80-95°C下加热15分钟，然后过滤得到叶提取物。提取物储存于4°C条件下以备进一步实验使用。
**铜/氧化铜（Cu/Cu?O）纳米颗粒的绿色合成**
Cu/Cu?O纳米颗粒是通过改进的绿色还原方法合成的，使用Moringa oleifera叶提取物作为主要还原剂和封端剂，同时加入抗坏血酸作为辅助还原剂
**源自Moringa的铜/氧化铜（Cu/Cu?O）纳米颗粒的合成与表征**
在合成过程中，反应混合物从蓝色变为深棕色，表明形成了Cu/Cu?O纳米颗粒（图S1）。紫外-可见光（UV–Vis）光谱显示在320纳米处有一个特征性的表面等离子体共振（SPR）吸收峰，说明形成了氧化铜（Cu?O）（图3A），而未明显检测到金属铜的SPR峰。UV–Vis分析表明pH值显著影响Cu/Cu?O纳米颗粒的生成。320纳米处的表面等离子体共振峰显示了最大值
**讨论**
**优势、局限性与未来前景**
这项研究在可持续纳米技术领域取得了重要进展，具有明显的实际效益。其主要优势有三：首先，它采用了一种更环保的方法，利用抗坏血酸和Moringa oleifera叶提取物经济高效地合成Cu/Cu?O纳米颗粒（Cu/Cu?O NPs），消除了有毒试剂的使用；其次，这些纳米颗粒具有双重功能，既能作为强效的抗真菌剂对抗Fusarium oxysporum sp. lycopersici
**结论**
总之，本研究证实Moringa oleifera叶提取物是绿色合成双功能铜和氧化铜（Cu/Cu?O）纳米颗粒的有效材料。这些纳米颗粒显著促进了番茄植株的生长，提高了其生理和生化抗性，并对枯萎病提供了强有力的保护。通过将纳米技术应用于作物保护与促进植物生长相结合，这种方法为农业提供了可持续、环保的替代方案
萨姆拉·伊巴德（Samra Ibad）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、方法学研究、数据分析。玛丽亚·哈米德（Maria Hamid）：数据收集与分析。阿姆娜·艾哈迈德（Amna Ahmed）：数据可视化、监督、资源管理、项目统筹、概念构思。赛达·卡玛鲁尼萨（Syeda Qamarunnisa）：撰写——审稿与编辑、验证。伊什拉特·贾米尔（Ishrat Jamil）：撰写——审稿与编辑、数据分析。约翰·T·汉库克（John T. Hancook）：初稿撰写。扎伊努尔·阿比丁（Zainul Abideen）：撰写——审稿与编辑、数据分析。阿里·埃尔-凯布拉维（Ali El-Keblawy）：初稿撰写
Apodaca-Sánchez等人，2004；Hermida-Montero等人，2019；Masood等人，2024；Montejo-Alvaro等人，2024；Moores和Goettmann，2006；Verma等人，2025。
**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。
