植物保护学院徐汉虹/张志祥教授团队在国际知名学术期刊发表纳米农药研究论文
近日，我校植物保护学院、天然农药与化学生物学教育部重点实验室、广东省生物农药工程技术研究中心徐汉虹教授/张志祥教授团队在国际化工领域的权威期刊Chemical Engineering Journal(工程技术1区top期刊，影响因子16.74)发表题为“A β-cyclodextrin-functionalized metal–organic framework enhances the insecticidal activity of indoxacarb by affecting amino acid metabolism in red imported fire ants”的科研论文(论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141417)。论文第一单位为华南农业大学，我校2022级博士研究生杨留鹏为论文第一作者，我校植物保护学院张志祥教授和徐汉虹教授为通讯作者。这是该团队近期发表的第5篇关于纳米农药害虫控制和纳米制剂安全性评价方面的研究论文。其它相关研究成果发表在国际知名期刊《Carbohydrate Polymers 》(中科院1区Top，影响因子 10.72)、《Environmental Research》(中科院2区Top，影响因子8.43)和《International Journal of Biological Macromolecules》(中科院1区Top，影响因子8.03)上。上述论文反映了团队近期围绕纳米农药害虫控制和纳米制剂安全性评价方面取得的系列研究进展。
受生态变化和人类活动等因素的影响，红火蚁在中国的入侵范围不断扩大，危害日益严重。将昆虫消化过程与纳米控释农药制剂技术相结合是一种有效的害虫管理方法，可以根据昆虫的微环境在目标部位按需释放农药。在这项工作中，描述了一种通过控制反应温度和原料比例快速合成直径为200~1500 nm的沸石型咪唑骨架-90 (ZIF-90)纳米颗粒的方法。通过将β-环糊精(β-CD-NH2)与装载茚虫威(IDC)的ZIF-90纳米颗粒(IDC@ZIF-90-CD)结合构建了具有pH和α-淀粉酶双重刺激响应的智能农药递送体系。纳米颗粒表面的β-CD-NH2涂层减少了茚虫威的光降解，并减少了活性成分的过早释放。体外释放动力学表明IDC@ZIF-90-CD在酸性和淀粉酶条件下快速释放茚虫威。生物活性试验结果表明，IDC@ZIF-90-CD通过增加红火蚁取食量和破坏肠道细胞增强了茚虫威的杀虫活性。非靶向代谢组学结果表明IDC@ZIF-90-CD通过干扰6种氨基酸和1种氨基酸转运载体的代谢途径影响了红火蚁的代谢。研究表明基于ZIF-90的纳米农药在高效农药递送和精确病虫害管理方面具有潜在应用，这些发现可能为未来的农药配方设计和可持续害虫管理提供了新的见解。相关研究发表在Chemical Engineering Journal (IF2022=16.74)上(论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141417)。
针对红火蚁中肠为酸性的特性，利用可生物降解的壳聚糖(CS)和羧甲基壳聚糖(CMCS)制备了对pH敏感的壳聚糖基鱼藤酮(Rot)纳米颗粒(CS/CMCS/Rot-NPs)。壳聚糖基纳米粒子对Rot显示出光保护和缓慢的持续释放作用，显著提高了Rot对红火蚁的杀虫活性。与鱼藤酮原药相比，这项研究制备的CS/CMCS/Rot-NPs显著削弱了红火蚁的攻击性，降低了红火蚁及其生存环境中的毒液生物碱含量。研究揭示了可生物降解壳聚糖材料在农业中的新应用，通过生产壳聚糖基纳米农药控制红火蚁，增加其在生态环境中的生存成本，削弱其生存能力从而限制其种群增长。研究表明，纳米技术与植物性杀虫剂相结合，可作为一种新颖、安全、有效和生态友好的方法来控制红火蚁。相关研究发表在International Journal of Biological Macromolecules (IF=8.03)上 (论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.08.066)。
鱼藤酮因其植物源农药的特性-可生物降解，环境残留较低，长期以来被用于控制害虫，也被许多国家用作鱼类种群管理。然而，在害虫防治的田间应用过程中，鱼藤酮通常会因喷雾漂移或降雨后的地表径流而进入地表水，这会导致水污染和鱼类意外死亡。因此针对南方池塘水大多为酸性的地理特性，利用环境友好的海藻酸钠(SA)与Ca2+的交联制备了对pH敏感的海藻酸钠纳米颗粒(alginate beads)用来封装鱼藤酮。此纳米材料具有较高的鱼藤酮负载效率并对溶液pH响应良好。在酸性条件下，氢键使得结构连接更加紧密，鱼藤酮的释放速率较低；在高pH下，分子间排斥作用使鱼藤酮更迅速地释放。在pH为5.5时，与相同剂量的鱼藤酮乳油相比，纳米材料对斑马鱼和胚胎毒性降低了2~4倍，具有良好的生态安全性。相关研究发表在Environmental Research(IF=8.43)上 (论文链接：https://doi.org/10.1016/j.envres.2022.114565)。
基于农田系统中露水多为酸性，而鳞翅目害虫肠道为碱性，以O-羧甲基壳聚糖 (O-CMCS) 包封高效氯氟氰菊酯 (LC)形成LC/O-CMCS，再通过植物油基聚氨酯 (PU) 包覆，制备了碱性响应型LC@O-CMCS/PU纳米制剂。与LC商品制剂相比，LC@O-CMCS/PU纳米制剂在叶表面具有更强的附着力和抗露水淋溶特性，对小菜蛾比LC乳油具有更好的防效，显著降低了对异色瓢虫的毒性。对于露水存在的叶片上，纳米制剂中的有效成分难以被溶出，显著改善了异色瓢虫在施药叶片上的生存环境。研究揭示了以多糖+聚氨酯为载体的纳米农药制剂在农田微环境中的特殊控释机制，为研究绿色环保农药与天敌联合防控害虫提供了新思路。相关研究发表在Carbohydrate Polymers(IF=10.72)上(论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120373)。
根据鳞翅目害虫(8.0＜pH＜9.5)与蜜蜂(5.0＜pH＜6.0)的肠道pH差异，通过多糖材料O-羧甲基壳聚糖 (O-CMCS)与三聚磷酸钠(TPP)交联反应，制备了pH响应控释虫螨腈纳米颗粒(CF@O-CMCS)。CF@O-CMCS纳米颗粒在酸性环境中表面收缩，降低了虫螨腈释放量，在碱性环境中则膨胀破裂，使虫螨腈大量释放。与虫螨腈悬浮剂相比，CF@O-CMCS对草地贪夜蛾3龄幼虫具有更好的防效，显著降低了对蜜蜂毒性。通过LC-MS/MS对肠道中的虫螨腈及其代谢物(溴代吡咯腈)检测，摄入CF@O-CMCS组蜜蜂肠道的农药含量显著低于摄入虫螨腈悬浮剂组，而在草地贪夜蛾的肠道中CF@O-CMCS组的农药含量比虫螨腈悬浮剂组高。研究揭示了O-羧甲基壳聚糖基纳米农药在鳞翅目害虫和蜜蜂之间的药物递释机制，为降低农药对蜜蜂毒性，提高农药有效利用率提供了解决新方案。相关研究发表在International Journal of Biological Macromolecules(IF2022=8.03)上(论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.10.182)。
徐汉虹/张志祥教授团队长期致力于害虫精准防控技术研究，开展纳米农药害虫控制研究和纳米制剂安全性评价，在有效，快速，精准防控害虫的同时，降低对非靶标生物的毒性危害。近期，团队围绕在重大入侵害虫红火蚁、草地贪夜蛾的可持续控制，以及对瓢虫、斑马鱼和蜜蜂非靶标生物的安全保护研究方面取得了系列重究成果，为可持续害虫管理提供了新颖，安全，有效和生态友好的防控新思路。
上述论文第一作者分别为我校农药学博士生杨留鹏(1篇)、郑群(1篇)、侯瑞权(2篇)及硕士生宋紫霞(1篇)，徐汉虹教授、张志祥教授、赵晨副教授及佛罗里达大学陈建军教授为这些论文的通讯作者。相关研究得到了广东省重点领域研发计划项目(No. 2020B020224002)、广东省现代农业产业技术创新团队专项资金(No. 2020KJ122和2023KJ122)、广东省农业科技创新促进与农业资源与生态环境保护建设项目(No. 2022KJ122)、广东省现代农业产业技术体系(农业资源与环境关键共性技术创新团队建设任务)(No. 2022KJ118)和广州市科技计划项目(No. 202102080120)资助。
文图/植物保护学院