2026年6月12日，湖南省农业科学院柏连阳院士团队在Cell Press旗下植物学著名期刊《Plant Communications》（中科院一区Top期刊，IF5year = 11.8）在线发表了天然安全剂最新研究进展“GA3-loaded hydrophilic and lipophilic diblock polymer acts as a nano-safener to alleviate herbicide-induced rice injury by activating key metabolic pathways”，系统揭示了基于赤霉素（GA3）纳米安全剂GA3@双嵌段聚合物（HLDP）的协同增效机制。该研究系统揭示了GA3纳米安全剂GA3@HLDP的协同增效机制。通过整合计算化学、生物物理与分子生物学等多维手段，研究从基因表达、代谢调控及酶活性层面，阐明了该纳米安全剂激活水稻多重生物途径、增强其对二甲戊灵解毒能力的分子基础。
稻田杂草竞争常导致水稻减产与品质下滑。虽然除草剂二甲戊灵（PND）对稗草防效显著，但其苗期药害风险高，且目前缺乏专用商品化安全剂。与此同时，传统化学安全剂环境风险较高，而兼具解毒潜力的天然植物激素GA₃，又受限于水溶性差和生物利用度低，难以大规模应用。针对上述技术瓶颈，研究团队依托前期构建的一种制备工艺简便的HLDP纳米载体，通过精准调控氢键与疏水缔合作用，实现了GA₃的高效包裹，成功制备纳米安全剂GA₃@HLDP（图1）。借助等温滴定微量热法与分子动力学模拟，研究进一步证实，该载体的组装过程为热力学自发行为，并赋予了纳米颗粒优异的结构稳定性，显著提升了GA₃的水溶性及在植物体内的输运效率。
图1 GA3@HLDP制备流程示意图
针对游离GA₃易聚集、难吸收的缺陷，研究团队构建的GA₃@HLDP纳米安全剂实现了关键性能突破。该制剂粒径均一（约120 nm）且表面带正电，显著提升了根部吸附能力与跨膜传输效率，植物吸收量提升2.5倍以上。独特的疏水屏蔽效应有效降低了药剂在土壤中的无效损耗，增强了叶面渗透与覆盖均匀度。分子动力学模拟与高光谱成像进一步证实，该纳米载体能快速穿透细胞膜并促进全株传导，在保障生物膜结构完整的前提下，实现了GA₃在水稻根、茎、叶中的高效分布与解毒功能（图2）。
图2 代谢组学和转录多组学联合分析GA3@HLDP的协同作用机制
多组学联合分析揭示了GA₃@HLDP通过系统性重塑水稻代谢网络、实现对游离GA₃活性超越的协同增效机制。其核心增效机制表现为三重协同调控：一是重构能量中枢，以淀粉和蔗糖代谢为核心，持续供给碳骨架与能量，夯实解毒的物质基础；二是强化物理屏障，协同激活苯丙烷生物合成通路，加速细胞壁木质化，构筑抵御除草剂侵袭的“铜墙铁壁”；三是提升系统免疫力，激活谷胱甘肽代谢通路，显著上调抗氧化酶与解毒酶活性，系统性清除由PND引发的活性氧，从根源上缓解氧化应激损伤（图3）。
图3 差异基因、代谢物及生物生化指标变化
研究通过系统生物学手段揭示了赤霉素纳米安全剂的增效机制，解决了GA₃生物利用度低的核心难点。所建立的“解毒-抗氧化-能量供应”协同调控体系，为绿色安全剂的创制提供了新思路。湖南省农业科学院邓希乐研究员和中国农业大学博士研究生乔恒为共同第一作者；湖南省农业科学院柏连阳院士和中国农业大学闫硕教授为共同通讯作者；湖南省杂交水稻研究中心詹祎捷和中国农业大学沈杰教授对本项研究提供了重要支持。该研究得到了国家重点研发计划(2024YFC2607600)、岳麓山实验室育种计划(YLS-2025-ZY01003)、国家自然科学基金(32372631)、荷尖人才(2023RC3208)、中国农业大学2115人才发展计划等项目的资助。
论文全文链接：
https://doi.org/10.1016/j.xplc.2026.101966