研究表明,在众多生物因子中,植食性害虫被公认为制约农业生产的关键因素。幼虫通过取食叶肉组织、破坏叶片结构,显著降低作物光合效能,导致严重减产。缺乏有效防控时,虫害可造成25%-30%的农业生产损失。为应对植食性昆虫威胁,植物进化出包含形态结构特征和化学防御物质在内的多重防护机制。其化学防御体系涵盖从低分子量次生代谢物(SMs)到具有杀虫活性的多肽蛋白等多种物质。这些次生代谢物通常处于基础合成水平,但在生物胁迫下可转化为抗氧化剂、渗透保护剂及驱虫剂等发挥防御功能。部分代谢物能直接毒杀害虫,或经氧化酶催化生成抑制昆虫发育的有害衍生物。
酚类物质作为植物界分布最广的次生代谢物,其中由没食子酸(GA)通过酯键连接葡萄糖构成的单宁酸(TA)尤为突出。这种弱酸性多酚不仅具有令昆虫拒食的苦涩味,还能干扰害虫生长发育。植物细胞可通过莽草酸途径将苯丙氨酸(PA)等前体物转化为TA。外源补充PA能激活植物防御系统,显著提升抗虫性。TA代谢产物GA在高浓度时也对昆虫表现毒性。从分子结构看,酚羟基可作为氢键供体,与含羧基、氨基等受体形成稳定氢键,其芳香环还能通过π-π堆积和疏水作用与其他分子结合。这些特性为构建酚类超分子自组装纳米系统奠定了理论基础。
农药在保障粮食安全中发挥着关键作用,但传统叶面喷施农药因雨水冲刷、叶片蜡质层阻碍等因素,实际利用率不足10%。化学农药的过度使用更带来生态安全与健康风险。在此背景下,源于印楝树(Azadirachta indica)的四环三萜类化合物印楝素(AZA)因其对600余种害虫的卓越活性,成为生物农药标杆。但市售AZA乳油因含甲苯等有害溶剂而存在安全隐患,现有纳米载药体系又面临载药量低(9.23%-14.30%)、工艺复杂等问题。本研究通过自组装技术,在水相中构建了基于印楝素(AZA)与单宁酸(TA)或苯丙氨酸(PA)的共组装纳米颗粒(AT NPs/AP NPs)。相较于商品化AZA制剂,该纳米颗粒凭借小粒径、低多分散指数(PDI)、高ζ电位等特性,显著提升了润湿性、粘附性、耐雨水冲刷性和光稳定性。尤为关键的是,这种共组装体具有双向pH响应解离特性,可在酸/碱环境中响应靶标微环境刺激,实现AZA的控释。针对亚洲玉米螟(Ostrinia furnacalis)和棉蚜(Aphis gossypii)的室内外试验均证实其卓越杀虫活性。本研究为开发绿色纳米农药体系提供了新思路,通过水性制剂技术同步提升生物农药的理化性能与利用效率。
图1. 构建基于印楝素 (AZA) 与三种植物次生代谢产物(单宁酸,TA;苯丙氨酸,PA;没食子酸,GA)非共价组装的水基纳米农药体系,用于长效协同增效的病虫害管理。
图2. a AT NPs与AP NPs水溶液外观及丁达尔效应照片;b、c 制备所得AT NPs与AP NPs的流体动力学粒径分布;d 印楝素(AZA)、单宁酸(TA)、苯丙氨酸(PA)及AT NPs、AP NPs的ζ电位值(数据以平均值±标准差表示);e 基于AZA/TA/PA共组装形成AT NPs与AP NPs的潜在作用力机制示意图。
图3. a 表面张力;b 最大持留量;c 不同处理(AT NPs与AP NPs)下三种作物叶片持留状态照片(CS:黄瓜;BO:甘蓝;ZM:玉米);d 喷雾液滴与靶标作物表面相互作用机制示意图:AT NPs与AP NPs通过改善田间理化性质的协同作用;e 雨水冲刷与f 光稳定性实验中AT NPs与AP NPs的性能表现。