中国农业大学植保学院沈杰、闫硕教授团队博士研究生陈静怡发表论文制备纳米除草剂并解析其多维协同增效机制

文章导读

面对假苍耳这种入侵杂草，你是否还在为传统除草剂利用率低、流失快而头疼？明明喷洒了大量药液，却因无法渗透叶片或快速淋溶，导致防效大打折扣甚至污染土壤。中国农业大学最新研究揭示了一个颠覆认知的真相：真正的破局点不在于加大剂量，而在于纳米级递送系统的“多维协同”。当药液在叶面铺展面积提升2.3倍、内吸效率翻番时，杂草的防御机制是如何被瞬间瓦解的？这套能让毒性降低却杀敌更狠的“隐形武器”，究竟藏着怎样的分子秘密？

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近日，植物保护学院沈杰、闫硕教授团队在国际学术期刊Journal of Nanobiotechnology在线发表研究论文Multilevel synergistic mechanisms of a nanocarrier-enabled topramezone herbicide against invasive weeds。该研究构建了一种基于两亲性嵌段聚合物（HLDP）的新型苯唑草酮（TOP）纳米递送系统，并从分子组装、生物活性到代谢调控等多维度阐明了其协同增效机制，为入侵杂草的绿色防控提供了新的理论依据。

入侵杂草假苍耳（Cyclachaena xanthiifolia）因极强的适应能力和竞争优势，严重威胁我国生物安全与粮食生产。传统化学除草剂面临利用率低、易流失等应用难题，亟需开发高效、低毒、环境友好型的制剂体系。该研究构建了一种由功能性聚合物驱动的纳米递送策略，通过设计合成两亲性聚合物HLDP，成功制备了高载药量、高稳定性的纳米除草剂TOP@HLDP，以应用于假苍耳的高效防治（图1）。

图1 TOP@HLDP对假苍耳的高效防治示意图

研究利用等温滴定微热量（ITC）、分子对接以及分子动力学模拟技术，深入解析了HLDP与TOP分子间的相互作用，揭示了两者由疏水和氢键相互作用所驱动的动态自组装过程。实验结果表明，HLDP驱动的纳米化显著降低了体系的粒径，改善了药液在叶片表面的润湿铺展性能，接触角降低了1.4倍，药液持留量提升了2.3倍，同时内吸传导效率较传统制剂翻番（图2-3）。土壤淋溶实验表明，TOP@HLDP具有更强的垂直迁移能力，且减少了长尾残留现象。

图2 TOP@HLDP的表征

图3 TOP和TOP@HLDP的植物吸收行为及土壤迁移测试

相较于游离TOP及商用TOP，TOP@HLDP对假苍耳具有更强的生长抑制效果，并且可显著降低假苍耳中叶绿素与氮的含量（图4）。转录组学与代谢组学共同揭示了TOP@HLDP对假苍耳的“多重打击”机制：通过抑制光合电子传递、阻断能量供应，并协同诱导茉莉酸（JA）介导的防御反应，引发强烈的氧化应激，从而实现对假苍耳的高效防治。此外，该系统在提高防效的同时，显著降低了对非靶标生物及后茬作物的急性毒性，展现出优异的生态安全性。

图4 TOP和TOP@HLDP对假苍耳的田间防治效果

本研究通过纳米递送技术，成功解决了传统苯唑草酮制剂稳定性差、流失率高的行业难题。同时，该新型纳米除草剂具有低残留、高生物兼容性的特性，对于保护农业生态环境、保障后茬作物安全具有重要意义。植物保护学院博士研究生陈静怡为论文第一作者，闫硕教授为通讯作者。中国农业大学植物保护学院沈杰教授、夏吉星教授、董民副教授、博士研究生乔恒、博士研究生冉晓以及石河子大学董合干副教授、王寒月副教授，北京化工大学尹梅贞教授、中国农业科学院植物保护研究所彭焕研究员也参与了该项工作。本研究得到了国家重点研发计划（2024YFC2607600）、国家自然科学基金（32372631）和中国农业大学‘2115’人才培育发展支持计划等项目的资助。