纳米乳剂包载Piper属植物精油：一种新型生物除草剂的细胞遗传毒性机制与田间应用潜力

本研究针对传统除草剂带来的环境残留和杂草抗性问题，创新性地采用超声均质技术将Piper amalago和P. dilatatum精油制备成纳米乳剂（NE）。通过纳米级液滴（~10 nm）显著提升疏水性精油的稳定性和渗透性，证实其对Bidens pilosa和Lolium multiflorum的萌发抑制率达52.7%，并能通过诱导细胞周期阻滞（G1/S期）和染色体畸变（微核率提升9.93%）发挥除草活性。该研究为开发基于天然产物的可持续农业解决方案提供了新思路。

　　

研究背景与意义

现代农业过度依赖化学除草剂导致两大痛点：环境持久性污染物积累和杂草抗药性进化。以草甘膦为例，其残留已对传粉昆虫肠道微生物群产生显著影响。联合国2030年可持续发展目标强调亟需开发环境友好型替代方案。植物精油因其多靶点作用机制和可降解特性成为研究热点，但存在水溶性差（如Piper属精油溶解度<0.2%）和光热不稳定性等技术瓶颈。

技术方法创新

研究团队通过超声均质法将Piper amalago（产率0.15%）和P. dilatatum（产率0.10%）精油与Tween 80（14% v/v）制备成纳米乳剂。采用GC-MS鉴定主要活性成分（β-石竹烯、吉玛烯D等），通过动态光散射（DLS）验证纳米粒径（8.7-10.58 nm），并利用热重分析（TGA）证明纳米包封使精油分解温度从168°C提升至402°C。选用B. pilosa（采集自巴西咖啡种植园）和L. multiflorum（商业品种）作为模式杂草，以莴苣（Lactuca sativa）进行细胞遗传毒性评估。

关键研究发现

1. 1.

   纳米制剂特性

   纳米乳剂呈现单分散性（PDI 0.17-0.30），Zeta电位-4.73 mV。DTG曲线显示P. amalago纳米乳剂在386°C出现单一分解峰，而P. dilatatum制剂在360°C和414°C出现双峰，提示后者存在游离精油影响长效性。

2. 2.

   除草活性

   预萌发处理中，3000 μg mL^-1 P. amalago纳米乳剂使L. multiflorum根长抑制率达53.07%（与草甘膦相当）。温室后萌发试验显示，该浓度使B. pilosa根系生物量降低11%，但对L. multiflorum无效，反映单子叶植物固有抗性。

3. 3.

   作用机制

   细胞周期分析发现P. amalago制剂使莴苣根尖细胞有丝分裂指数（MI）从8.3%降至6.76%，伴随prophase细胞比例下降26.2%。染色体畸变类型包括：

   • •

     黏连染色体（图8A）

   • •

     滞后染色体（图8C）

   • •

     微核形成（图8F）

光合色素测定显示3000 μg mL^-1处理使L. multiflorum叶绿素a降低24.5%，而B. pilosa叶绿素a反常增加18.9%，可能与活性氧（ROS）代谢紊乱有关。

结论与展望

该研究首次证实Piper精油纳米乳剂通过双重机制发挥作用：短期通过单萜类（如芳樟醇）破坏线粒体膜电位，长期通过倍半萜（如β-榄香烯）干扰微管组装。虽然田间稳定性仍需验证，但纳米制剂使精油分解温度提升234°C的突破，为开发耐候性生物除草剂提供了技术范式。后续研究建议聚焦于：

1. 1.

   精油成分与植物细胞周期蛋白（如p38 MAPK）的分子对接

2. 2.

   针对单子叶杂草的配方优化

3. 3.

   基于CAP009966（标本库编号）种质资源的精油产量提升策略

这项发表于《Scientific Reports》的工作，为应对全球杂草抗性危机提供了兼具生态价值和技术创新性的解决方案。