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南京农业大学高聪芬/高云昊J. Adv. Res.:一种多生物活性农药输送纳米系统,用于精确有效地管理水稻害虫胁迫

2026-05-29 18:48:47

水稻是全球超过一半人口的主粮作物，但长期受到二化螟、稻纵卷叶螟、褐飞虱及稻瘟病等多重病虫害威胁，严重影响粮食安全。传统农药虽然能够提供一定防控效果，但普遍存在利用率低、易光解挥发、叶面附着性差以及内吸传导能力不足等问题。此外，多种药剂混配还容易出现稳定性差、药效衰减及环境残留风险增加等问题。以甲氨基阿维菌素苯甲酸盐（EB）为代表的高效杀虫剂还具有明显光敏性，田间持效期有限。与此同时，大量有机溶剂和助剂的使用，也进一步增加了作物药害及水生生态风险。

近年来，纳米农药递送技术为绿色植保提供了新思路。尤其是基于超分子自组装构建的无载体纳米体系，能够提高载药效率、减少惰性材料使用，并赋予药剂控释和精准递送能力。天然壳寡糖（COS）具有良好的生物相容性和植物免疫诱导活性，而4-氟苯氧乙酸（4-FPA）则能够激活水稻抗虫防御反应，为多功能农药协同设计提供了基础。

针对上述问题，南京农业大学高聪芬教授与高云昊副教授团队近期在《Journal of Advanced Research》发表研究成果，构建了一种无载体、多生物活性纳米农药递送系统 EB@COS-4-FPA。该体系通过超分子自组装，将EB、COS与4-FPA整合为稳定纳米颗粒，实现了高效递送、叶面黏附、双向传导以及植物免疫激活等多重功能。研究系统评估了其结构特征、控释性能、叶面润湿行为、生物活性与病虫防控效果，并验证了其良好的生物安全性，为水稻病虫一体化绿色防控提供了新的纳米农药设计策略。

实验方案

双亲性分子合成：利用1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）催化，将具有植物免疫诱抗功能的4-氟苯氧乙酸（4-FPA）的羧基与壳寡糖（COS）的氨基进行酰胺化偶联，合成双亲性聚合物COS-4-FPA 。

水相共组装：将COS-4-FPA与疏水性杀虫剂甲维盐（EB）以 1:1 的质量比在超纯水中混合，经 10分钟 超声处理，利用非共价相互作用驱动其自组装形成EB@COS-4-FPA纳米颗粒。

优化参数:当COS:4-FPA投料比为15:1时，接枝效率最高（24.25±2.20%），所得纳米颗粒粒径最小（133.1 nm），当COS-4-FPA:EB质量比为1:1时，自组装效率接近100%，载药量达到约50%。COS-4-FPA的临界胶束浓度（CMC）为24.7 mg/L，证实其两亲性特征

该制备过程无需额外的有机溶剂或合成表面活性剂，是一种环境友好的绿色工艺。

表征分析

粒径与形貌：动态光散射（DLS）测得EB@COS-4-FPA平均水动力直径为133.1 nm，透射电镜（TEM）显示为均匀的球形颗粒，平均直径约120 nm。由于疏水性EB在水中形成可见沉淀，而加入COS-4-FPA后得到澄清溶液并呈现明显的丁达尔效应，直观证实纳米颗粒形成。

FTIR：EB@COS-4-FPA在1735 cm⁻¹处出现EB特征的C=O伸缩振动峰，在2950 cm⁻¹处出现-CH₃伸缩振动峰，同时保留COS-4-FPA的特征吸收，证实EB成功包载

XRD：EB原料显示明显的晶体衍射峰，而EB@COS-4-FPA中EB以无定形状态分散，表明分子间相互作用抑制了结晶

¹H NMR：D₂O中COS-4-FPA和EB@COS-4-FPA的谱图与DMSO-d₆中游离EB的谱图对比，进一步确认组装行为

分子动力学模拟：100 ns的MD模拟显示，EB（蓝色）与COS-4-FPA（绿色）通过氢键和疏水相互作用自发聚集。模拟过程中氢键数量保持在较低水平，接触数逐渐增加，COS-4-FPA链的回转半径（Rg）平均为2.356 nm，体系总能量趋于稳定，从分子层面阐明了自组装驱动力。

图. EB@COS-4-FPA 自组装的合成、表征及分子动力学模拟。a) EB 与 COS-4-FPA 超分子自组装示意图。b) 不同 COS 与 4-FPA 进料质量比下合成的 COS-4-FPA 对所得 EB@COS-4-FPA 流体动力学直径的影响。c) 不同 EB 与 COS-4-FPA 进料质量比下制备的 EB@COS-4-FPA 的自组装效率和载药量。d) EB TC 和 EB@COS-4-FPA 水溶液的照片及丁达尔效应。e) EB@COS-4-FPA 的 TEM 图像。比例尺：100 nm。f) EB@COS-4-FPA 的粒径分布。 g) COS-4-FPA、EB 和 EB@COS-4-FPA 的 FTIR 光谱。h) COS-4-FPA、EB 和 EB@COS-4-FPA 的 XRD 图谱。i) COS-4-FPA、EB 和 EB@COS-4-FPA 的 ¹ H NMR 谱图。j) EB@COS-4-FPA 体系分子动力学模拟的快照。蓝色：EB，绿色：COS-4-FPA。k) 分子动力学模拟过程中 EB 和 COS-4-FPA 之间的氢键数量。l) 分子动力学模拟过程中 EB 和 COS-4-FPA 之间的接触数量。m) COS-4-FPA 链的回转半径。n) COS-4-FPA 链与 EB 分子之间的相互作用能。

控释与稳定性

EB虽高效，但极易光解，持效期短。EB@COS-4-FPA纳米系统表现出了卓越的稳定性。

紫外屏蔽与光稳定性：COS-4-FPA外壳中的芳香环结构可有效吸收紫外线。在365 nm紫外光照射下，EB@COS-4-FPA的光解速率常数（k = 0.0241）仅为EB原药（k = 0.0752）的约三分之一，光解半衰期（DT50）从9.22小时显著延长至28.76小时，光稳定性提升了约3.1倍。

储存稳定性：该纳米制剂在常温（25°C）下储存420天、低温（0°C）和高温（54°C）下储存14天，其粒径和有效成分含量均无显著变化，表现出优异的胶体和化学稳定性。

pH响应性释放：体外释放实验显示，该体系具有明显的pH响应特性。在72小时内，EB在pH 5条件下的累积释放率高达97.52%，在pH 7下为83.13%，而在pH 10下仅为21.41%。这种条件响应性释放行为有助于其在靶标生物特定生理环境下的精准释放。

图. EB@COS-4-FPA 的光稳定性和优异的货架稳定性。a) EB@COS-4-FPA 和工业级 EB（EB TC）在紫外光照射下的降解曲线。b) EB@COS-4-FPA 和 EB TC 的 EB 光降解准一级动力学模型。c) COS-4-FPA 壳层紫外屏蔽效应示意图。d) EB@COS-4-FPA 悬浮液在 25 °C、0 °C 和 54 °C 储存期间的粒径和 EB 浓度变化。

图. 使用四种常用释放模型对EB@COS-4- FPA 在pH 5、7和10条件下的体外释放动力学进行拟合：(a)一级模型，(b)Ritger-Peppas模型，(c)Higuchi模型，以及(d)Peppas-Sahlin模型。数据以均值±标准差表示。

叶面湿润与双向传导

低表面张力与高持留量：悬浮液表面张力显著低于 EB 原药与商用微乳剂，单位面积叶片最大持留量显著高于所有对照制剂。

优异的铺展性能：在水稻叶片上的静态接触角仅 87.0°，远低于 EB 原药（114.4°）、商用微乳剂（101.1°）与悬浮剂（93.5°）；液滴可快速铺展形成稳定液膜，无收缩团聚现象。

均匀纳米级沉积：模拟喷雾与扫描电镜显示，EB@COS-4-FPA 可在叶片表面形成连续、均匀的纳米层，无大液滴团聚；而对照制剂均出现沉积不均、颗粒团聚的问题，该特性可显著减少雨水冲刷导致的农药流失。

双向内吸传导： 通过罗丹明B荧光标记与高效液相色谱（HPLC）定量分析证实，EB@COS-4-FPA不仅能通过根部吸收并通过木质部向地上部位输送，还能在叶面喷施后通过韧皮部向茎和根部进行向下传导。根部施药时，药物可通过木质部向上输送，6 小时根中 EB 浓度达 527 mg/kg，12-48 小时逐渐向茎（85 mg/kg）和叶（20 mg/kg）转运，叶面施药时，药物可通过韧皮部向下传导，48 小时叶中 EB 仍保持 107 mg/kg，茎中浓度稳定在约 3 mg/kg，根中浓度随时间递增，这种双向传导特性大幅增加了药物在靶标部位的积累。

图. EB@COS-4-FPA 在水稻叶片上的附着和沉积。a) 表面张力；b) 单位面积最大叶片残留量；c) 静态接触角；d) 不同配方下液滴在水稻叶片上的动态铺展行为；e) EB@COS-4-FPA 增强滞留机制示意图；f) 模拟喷雾后液滴在水稻叶片上的分布；g) 不同配方处理后叶片表面的 SEM 图像。(b,c) 柱状图表示平均值 ± 标准差 ( n = 3)。采用单因素方差分析（双侧）和 Tukey's HSD 多重比较检验；不同字母标记的组间差异显著（ P < 0.05）。

图. EB@COS-4-FPA 在水稻植株中的双向系统运输。a) 根部施用后不同组织中荧光强度的定量分析。b) 共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像显示根部施用后荧光标记纳米颗粒在根、茎和叶中的分布。c) 根部施用及向上转运示意图。d) 叶面施用后不同组织中荧光强度的定量分析。e) 共聚焦激光扫描显微镜(CLSM)图像显示叶面施用后荧光标记纳米颗粒在根、茎和叶中的分布。f) 叶面施用及向下转运示意图。g) EB@COS-4-FPA 在水稻植株中的吸收-转运实验示意图，采用高效液相色谱法(HPLC)测定。hj) 根部施用后 6、12、24 和 48 小时，h) 根、i) 茎和 j) 叶中 EB 的浓度。 (k) 叶面喷施后 6、12、24 和 48 小时，测定 k) 根、l) 茎和 m) 叶中 EB 的浓度。(a,d) 数据以平均值 ± 标准差 ( n = 5) 表示。统计学差异采用双样本 t 检验（双侧）计算。**** P < 0.0001。(hm) 柱状图表示平均值 ± 标准差 ( n = 3)。采用单因素方差分析（双侧）和 Tukey's HSD 多重比较；组间未标注相同字母表示差异显著（ P < 0.05）。

生物安全性

靶标作物安全性：高浓度处理下的EB@COS-4-FPA对水稻种子的发芽率、发芽速度未表现出明显抑制作用。同时，水稻幼苗的叶绿素含量、鲜/干重以及根茎长度等生长指标与对照组无显著差异，体现出极佳的植物兼容性。

非靶标生物毒性：斑马鱼急性毒性试验表明，EB@COS-4-FPA的 12小时 半致死浓度（LC50）为 1.536 mg/L，相比于市售微乳剂（0.428 mg/L）和悬浮剂（0.569 mg/L），其对水生生物的急性毒性大幅降低。这种无佐剂、无有机溶剂的配方极大降低了环境暴露风险。

图. EB@COS-4-FPA 对主要水稻害虫的杀虫活性。a) 稻纵卷叶螟幼虫经 EB@COS-4-FPA 和 EB TC 处理后的剂量-死亡率曲线。b) 针对稻纵卷叶螟的喷雾生物活性评估示意图。c) 稻纵卷叶螟幼虫在喷洒 EB@COS-4-FPA、EB TC、EB ME 和 EB SC 后 6、12 和 24 小时的死亡率。d) 田间试验中 EB@COS-4-FPA 和 EB ME 对稻纵卷叶螟的防治效果比较，包括防治效率和叶片损伤的目测比较（受损叶片用红色圆圈标记）。e) 二化螟幼虫经 EB@COS-4-FPA 和 EB TC 处理后的剂量-死亡率曲线。 f) 根部施用 EB@COS-4-FPA、EB TC、EB ME 和 EB SC 后 1、3 和 7 天二化螟幼虫死亡率。g) 根部施用和喷施处理对二化螟生物活性评估示意图。h) 喷施 EB@COS-4-FPA、EB TC、EB ME 和 EB SC 后 1、3 和 7 天二化螟幼虫死亡率。(d) 数据以平均值 ± 标准差 ( n = 5) 表示。统计学差异采用双样本 t 检验（双侧）计算。**p < 0.01。(c,f,h) 柱状图表示平均值 ± 标准差 ( n = 3)。采用单因素方差分析（双侧）和 Tukey's HSD 多重比较；组间差异不显著（ p < 0.05）。

图. EB@COS-4-FPA 对水稻和斑马鱼的生物安全性评价。a) EB TC、EB ME、EB SC 和 EB@COS-4-FPA 处理后水稻种子的照片和 b) 定量发芽率。c) EB TC、EB ME、EB SC 和 EB@COS-4-FPA 处理后水稻幼苗的照片、d) 叶绿素含量、e) 鲜重、f) 干重和 g) 地上部和根系长度。h) EB TC、EB ME、EB SC 和 EB@COS-4-FPA 处理后斑马鱼的照片和 im) 剂量-死亡率曲线。(b,dg) 柱状图表示平均值 ± 标准差 (b, n = 4; dg, n = 10)。采用单因素方差分析（双侧）和 Tukey's HSD 多重比较进行统计分析。不共享字母的组之间存在显著差异（P < 0.05）。