纳米 “魔法盒”：植物次生代谢物调控印楝素，开启可持续害虫治理新篇

为解决生物农药稳定性和功效难题，中国农业大学研究人员开展以植物次生代谢物调控印楝素纳米组装的研究。结果显示制备的纳米系统性能优异、杀虫活性强且生物安全。推荐科研读者阅读，探索可持续害虫治理新路径。

　　

在农业的广阔天地里，害虫就像一群捣乱的小怪兽，严重威胁着农作物的生长。研究表明，植食性害虫是农业生产的重要制约因素，发育中的害虫幼虫会啃食叶片，破坏植物的光合作用，要是没有有效的防治措施，可能会造成约 25 - 30% 的农业生产损失。为了抵御这些小怪兽的进攻，植物进化出了各种防御机制，其中植物次生代谢产物（Secondary Metabolites，SMs）就是它们的秘密武器之一。

酚类物质是 SMs 中的重要成员，像单宁酸（Tannic Acid，TA），它是一种由没食子酸单元通过酯键连接到葡萄糖上的弱酸性多酚。TA 不仅能抑制害虫生长，还能作为防御剂，让害虫 “食欲不振”。苯丙氨酸（Phenylalanine，PA）也不容小觑，植物能高效吸收并代谢它，富含 PA 的植物对害虫有很强的抵抗力。

在农药领域，虽然传统化学农药在控制害虫爆发、提高农业生产力方面发挥了重要作用，但它的缺点也很明显。一方面，高达 90% 通过叶面喷洒的农药会因外部环境条件和植物叶片的疏水蜡质层而流失。另一方面，过度使用化学农药会对非目标物种、人类健康、生态系统和生物多样性造成危害。于是，生物农药应运而生，成为了替代合成农药的希望之星。印楝素（Azadirachtin，AZA）就是其中的佼佼者，它源自印楝树，能对 600 多种昆虫产生毒性作用，干扰害虫的生理过程，是有机农业中防治害虫的得力助手。然而，目前 AZA 的主要商业配方是乳油（Emulsifiable Concentrate，EC），使用过程中会用到甲苯和二甲苯等有害溶剂，存在环境和健康风险。纳米配方虽能有效递送 AZA，但也存在纳米载体材料、有害助剂使用、载药率低、制备过程复杂和潜在环境风险等问题。

为了解决这些难题，中国农业大学的研究人员在《Nature Communications》期刊上发表了题为 “Sustainable pest management using plant secondary metabolites regulated azadirachtin nano - assemblies” 的论文。他们设想利用 TA、PA 和没食子酸（Gallic Acid，GA）这三种具有不同调节模式和理化特性的植物基产品，将脂溶性的 AZA 改造成共组装纳米系统，实现高效的药物递送、协同害虫管理，同时提升植物的防御能力和产量。

研究人员在这项研究中用到了几个关键技术方法。他们通过溶剂交换法，将 AZA 与 TA、PA 或 GA 混合溶液逐滴加入水中，制备出共组装纳米系统。利用动态光散射（Dynamic Light Scattering，DLS）和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy，TEM）对纳米系统的粒径分布、多分散指数（Polydispersity Index，PDI）、ζ 电位和形态进行表征。借助高效液相色谱（High - Performance Liquid Chromatography，HPLC）、紫外 - 可见吸收光谱（UV - Visible Absorption Spectrum，UV/vis）和傅里叶变换光谱（Fourier Transform Spectroscopy，FTIR）来分析纳米系统的结构。还用多种方法研究了纳米系统的润湿性、沉积性、耐雨性、光稳定性、控释行为、杀虫活性和生物安全性。

下面来看看具体的研究结果：

AZA 基纳米系统的制备

研究人员系统探究了 AZA 与 TA、PA 或 GA 摩尔比对共组装复合物组成和分散性能的影响。结果发现，TA 和 PA 可作为动态交联介质，使 AZA 共组装成相对较小的聚集体并分散在水中。当 TA 与 AZA 摩尔比为 1:8 时，AT NPs 的共组装率达 82.46%，平均粒径约 120nm，PDI 为 0.028，ζ 电位为 - 32mV，形成了稳定的纳米系统。PA 与 AZA 摩尔比为 4:1 时，AP NPs 也能形成稳定系统，共组装率 70.96% 。而 AZA 与 GA 在所有摩尔比下都形成了水不溶性聚集体，无法构建稳定纳米系统。综合考虑，TA 和 PA 被选为构建共组装 AZA 纳米系统的最佳分子。

形态表征

TEM 图像显示，最佳摩尔比下制备的 AT NPs 和 AP NPs 分别呈约 100nm 和 250nm 的规则球形纳米结构，具有典型的核壳结构，AZA 位于核心，TA 或 PA 在外壳。DLS 测定的 AT NPs 和 AP NPs 平均流体动力学粒径分别为 117nm（PDI = 0.029）和 287nm（PDI = 0.129），比 TEM 测定值大，这是因为 Zeta - sizer 分析仪测试的是水合粒径。AT NPs 和 AP NPs 表面电荷更负，有利于提高农药的利用效率和生物利用度。

形成机制

TA 因富含多酚，能通过氢键、疏水作用和 π - π 堆积与 AZA 相互作用，形成线性大分子片段，再经疏水和 π - π 堆积力形成球形三维结构。PA 的疏水苯环、羧基和氨基也能通过类似作用与 AZA 形成线性片段，进而形成纳米系统。UV - vis、HPLC 和 FT - IR 进一步证实了这一形成机制。

润湿和粘附性能

大多数作物叶片是疏水或超疏水的，农药需要良好的润湿和粘附性能才能发挥最大活性。研究发现，AT NPs 和 AP NPs 的表面张力明显低于 AZA EC 悬浮液和去离子水，在疏水性甘蓝叶片上的铺展性能良好。在不同作物叶片上，AT NPs 和 AP NPs 的保留量显著高于 AZA EC 悬浮液，且 AT NPs 的润湿性和粘附性更好，这得益于其与叶片蜡质层形成的更多氢键。

耐雨侵蚀性

降雨会使农药在作物叶片上的保留量大幅降低，而模拟降雨冲刷后，AT NPs 和 AP NPs 在玉米叶片上的保留率分别为 67.86% 和 56.91%，远高于 AZA EC 的 30.29%。这是因为纳米系统与叶片蜡质层的强氢键作用，以及较小的粒径能嵌入叶片表面微观结构，使其更耐冲刷。

紫外光降解

AZA 对阳光敏感，易光降解，从而降低杀虫效果。研究表明，AZA EC 在紫外光下的光降解半衰期（）为 18.50min，而 AT NPs 和 AP NPs 将其延长至 30.62min 和 56.19min。这是因为纳米系统中芳香环 π - π 跃迁的紫外屏蔽能力，保护了 AZA 不被过早降解。

pH 介导的 AZA 释放

不同害虫中肠的 pH 不同，大多数半翅目害虫中肠略酸性（pH 5.0 - 6.0），鳞翅目害虫中肠呈碱性（pH 可达 12）。研究发现，AT NPs 和 AP NPs 在 pH 7.0 时稳定性良好，在 pH 5.0 和 9.0 时释放加快。酸性条件下，TA 的羟基和 PA 的氨基质子化，破坏氢键导致 AZA 释放；碱性条件下，TA 羟基去质子化，使 AT NPs 解体释放 AZA。释放曲线符合 Higuchi 模型，释放过程主要受溶解和扩散控制，为 Fickian 扩散。

体外杀虫活性

采用叶碟浸渍法评估纳米系统对亚洲玉米螟（Ostrinia furnacalis）的体外生物活性。结果显示，纳米系统处理显著降低了玉米螟幼虫的存活率，且呈剂量依赖性。96h 后，500mg/L AZA 处理组幼虫死亡率达 100%，同时幼虫鲜重明显下降，表明释放的 AZA 与 TA 或 PA 具有协同作用。

AZA 的体内防治效果

通过叶片喷雾法评估纳米系统对黄瓜幼苗上棉蚜（Aphis gossypii）的体内防治效果。结果表明，AT NPs 和 AP NPs 对棉蚜的防治效果显著优于 AZA EC，处理黄瓜叶片和花朵上棉蚜的死亡率更高，进一步证实了释放的 AZA 与 TA 或 PA 的协同作用，这得益于纳米系统增强的润湿性、粘附性和抗紫外性。

生物安全性评价

研究人员用不同浓度的 AZA EC、TA、PA、AT NPs 和 AP NPs 处理大豆和大白菜幼苗，评估其生物安全性。结果显示，处理后的幼苗地上部分无形态异常，叶绿素含量和株高与对照组无显著差异，表明纳米系统对植物光合作用和生长无不利影响，具有较高的生物安全性。

这项研究意义重大。研究人员成功将 AZA 与 TA 或 PA 共组装成纳米系统，优化了纳米系统的制备条件，确定了最佳摩尔比。制备的纳米系统具有优异的理化性质，能提高 AZA 在作物叶片上的润湿性、粘附性和保留率，还能响应不同 pH 环境，实现 AZA 的可控释放。同时，纳米系统对亚洲玉米螟和棉蚜具有显著的杀虫活性，且对植物生长安全。这为生物农药的高效利用提供了一种环保的新途径，有望在未来农业生产中广泛应用，帮助农民更好地防治害虫，减少化学农药的使用，保护生态环境。