2026年7月4日，食源性功能因子合成生物学联合研究中心刘洪林教授研究团队在植物免疫与光谱传感交叉领域取得新进展，在《ACS Sensors》发表题为“Plant-Plant Communication for Systemic Acquired Resistance under Biotic Stress Spatiotemporally Tracked by In Situ SERS Aerosol Spraying Analyzer”的研究论文。研究团队精确设计了一种用于表面增强拉曼光谱（SERS）原位检测的金核银壳纳米立方体气溶胶，通过无损叶面气溶胶喷涂，在分子水平上成功解码了植物间水杨酸甲酯分子介导的防御信号传导动力学与系统获得性抗性的激活机制，而且实现了活体植物体内病原菌毒力因子的时空动态追踪。这一创新成果为田间作物免疫精准诊断与生态协同防控提供了全新的数字化工具。

植物在遭受病原菌侵害时，会通过释放挥发性有机化合物向邻近植物发出预警，这种现象被称为植物间通讯。其中，水杨酸甲酯是激活植物系统获得性抗性的关键信号分子，实时无损地追踪这种微量气相防御信号，对于破译植物生态网络、优化作物伴生种植及实现精准农业具有变革性意义。然而，传统的分析方法难以做到实时无损的原位检测。SERS技术具有单分子级灵敏度，但植物释放的痕量气体分子与SERS增强材料间的相互作用较弱，且极易受到光谱重叠的干扰，严重影响了定量测量的准确性。

本研究开发了一种基于金核银壳纳米立方体气溶胶喷雾的SERS检测技术，将植物内源分析与非侵入性叶片表面传感结合起来，实时分析植物与病原体的相互作用和植物间通讯。该策略能够定量分析植物防御反应中的水杨酸甲酯信号分子，揭示病原体入侵过程中内源水杨酸甲酯的释放动力学。在此基础上实现了植物种群内和种群间的原位无损监测水杨酸甲酯介导的植物间通讯，验证了防御信号启动后受体植物中系统获得性抗性的产生。

该研究建立并验证了铜绿假单胞菌侵染拟南芥的生物胁迫模型及其毒力因子的时空动力学特征（图1）。通过根部接种构建了拟南芥生物胁迫模型，明确了从无症状期、早期叶片黄化到组织坏死的病程表型时序。SERS检测结果显示，植株内毒力因子绿脓菌素呈现典型的S型积累动力学，与细菌生长周期高度同步，且信号出现早于肉眼可见的病斑，可实现侵染的早期识别。进一步对植株下根部、根茎结合部、基生叶、中部叶、顶端分生组织五个区域进行空间成像，毒力因子在空间上呈现了从根部向叶片递减的分布梯度，与组织坏死程度完全对应，明确了病原菌在植株内的扩散规律，为后续关联植物防御信号响应提供了精准的时间与空间框架。

图1. 铜绿假单胞菌侵染拟南芥的毒力因子时空分布解析。

高SERS活性的核壳纳米立方体探针结合表面气溶胶喷雾法，实现了叶片释放水杨酸甲酯的原位动态监测（图2）。探针进行了双重配体修饰：4-巯基苯硼酸（4-MPBA）特异性识别目标分子水杨酸甲酯，4-巯基苯甲腈（4-MBN）的氰基在拉曼静默区产生稳定的指纹峰，作为内标校准信号。当植物释放水杨酸甲酯气体分子时，其与4-MPBA硼酸基团发生弱的、可逆的非共价相互作用，触发局域电子环境扰动，4-MPBA苯环结构对称性被破坏，导致1071 cm-1处的拉曼峰发生特征性衰减。将功能化纳米颗粒制备为无表面活性剂的水相气溶胶，直接喷施于叶片表面即可实现原位检测水杨酸甲酯，检测限低至1 ppb，具备优异的选择性与可逆响应，且纳米颗粒不会堵塞气孔、不干扰植物正常气体交换。活体监测发现，受感染植株的水杨酸甲酯释放呈现“快速上升-峰值回落”的双相动力学，在侵染第3天达到释放峰值，后期随组织坏死逐渐下降，证实植物可根据病原菌毒力负荷动态校准防御信号的输出强度，形成植物免疫调控的“变阻器”机制。

图2. 病原菌侵染植物释放水杨酸甲酯（MeSA）的原位监测。

系统评估了核壳纳米立方体气溶胶喷施对植物生理状态的长期影响（图3）。喷施14天后，叶绿素荧光快速诱导曲线测量结果显示，处理组与对照组的电子传递速率、光系统II实际光化学效率、光化学淬灭与非光化学淬灭系数等关键光合参数均无显著差异；多参数雷达图进一步证实，光合电子传递链的结构与功能保持完整，最大光化学效率维持在正常水平。叶片表型观察也未出现黄化、损伤等异常，证明该气溶胶检测体系无植物毒性，不会干扰植物内源的胁迫信号通路，可支持长期的活体植物免疫监测。

图3. 核壳纳米立方体气溶胶的生物相容性验证。

本研究实现了种内植物间通讯过程的原位实时监测，揭示了接收植株独特的信号响应规律（图4）。研究构建“感染发射植株-健康接收植株” 的共培养通讯体系，连续5天追踪接收植株的水杨酸甲酯释放动态。叶面SERS监测结果显示，健康接收植株展现出与发射植株截然不同的水杨酸甲酯释放规律：在1-2天，接收植株表现出短暂的信号感知延迟，水杨酸甲酯维持低水平释放，随后进入指数级信号放大阶段，第5天水杨酸甲酯释放量达到感染植株峰值的153%。结合分子机制分析，该模式源于水杨酸甲酯向水杨酸转化的生化解码延迟，以及后续复杂分子通路——NAC2-SAMT1——的正反馈放大效应，反映出发射植株与接收植株差异化的免疫稳态调控策略：感染植株侧重局部防御与代谢平衡，健康植株则通过信号放大实现种群层面的抗性协同。

图4. 种内植物通讯的原位监测。

最后将研究体系拓展至多物种体系，阐明了跨物种植物通讯的进化差异，并验证了信号介导的系统获得性抗性效应（图5）。选取十字花科拟南芥、茄科番茄、禾本科水稻三种系统发育距离较远的植物开展检测，发现水杨酸甲酯介导的通讯存在显著物种特异性：番茄的信号放大效应最强，拟南芥次之，水稻仅呈现微弱的基线波动。实时荧光定量逆转录聚合酶链反应结果显示，水杨酸甲酯合成关键酶SAMT1的转录上调水平与物种间信号强度差异完全对应，证实该差异源于不同物种防御通路的进化分歧。二次病原菌侵染实验表明经植物间通讯预处理的植株，感染严重度降低63.5%，抗病标志基因PR1表达上调4.9倍，证实了水杨酸甲酯介导的植物通讯可有效诱导植物系统获得性抗性。

图5. 跨物种植物间通讯的原位监测与系统获得性抗性验证。

综上，本研究开发了一种基于气溶胶喷雾的SERS检测传感策略，将光谱检测技术与植物免疫生态学研究深度融合，突破了植物挥发性防御信号难以原位定量的技术瓶颈。该研究建立了病原菌侵染强度与植物防御信号输出的量化关联，明确了植物免疫的动态校准机制；同时揭示了植物间通讯中接收植株“延迟-放大”的信号重编程规律；最后阐明了跨物种植物通讯的进化约束与物种特异性差异。该检测体系兼具高灵敏度、无损原位与良好生物相容性，未来可应用于田间作物病害的早期光谱预警、间作套种抗病模式优化与精准植物免疫调控，推动植物免疫研究从实验室解析向田间原位监测与应用跨越。