摘自：《中国生物防治学报》2025（08）
作者：钱鑫；沈杰
随着纳米技术的快速发展，纳米载体逐渐被引入到农业领域，特别是在病虫害生物防治中展现出巨大的潜力。纳米载体凭借独特的物理、化学特性赋予其强大的装载能力、可调节的粒径、较强的表面活性和生物相容性，能够有效地改进传统生物制剂的递送和释放性能。星状多聚阳离子（star polycation，SPc）纳米载体是一种星型多聚阳离子聚合物，它以甲基丙烯酸二乙基氨基乙酯（DMAEMA）为中心，周围携带大量正电荷的树枝状大分子。这样的结构特征赋予了SPc装载不同生物农药的潜力，并实现保护和细胞递送作用。如SPc可以装载植物源农药，提高其活性成分在环境中的稳定性；SPc可以结合RNA分子，保护其免受环境和生物体内核酸酶的降解；SPc还可以作为生物源免疫诱抗剂的递送系统，增强植物的系统性抗性。
本文以纳米载体SPc为核心，阐述其在植物源农药、生物源免疫诱抗剂、RNA农药和微生物农药中的应用进展，分析其技术优势，并探讨未来的发展方向，以期为纳米载体在农业生物防治中的进一步研究和应用提供参考。
1、植物源农药纳米制剂
植物源农药因其环境友好、对非靶标生物安全、不易产生抗药性等特点，近年来在农业领域得到了广泛关注和应用。其有效成分通常来源于植物体的多种有机物质，具有多样化的生物活性，如杀虫、杀菌、除草、调节植物生长等。植物源农药的应用历史悠久，早在古埃及和古罗马时期就有使用植物材料进行病虫防治的记录。现代研究中，植物源农药的研发主要集中在活性植物资源的筛选和新型农药的创制上。如印楝素、苦参碱等植物源农药已在农业生产中取得了明显的经济、生态和社会效益。然而，植物源农药的田间应用仍面临实际见效慢、防效低、成本相对高昂等挑战。
纳米载体的纳米尺度效应有助于解决植物源农药防效低的难题。如纳米载体SPc和苦参碱的组合增加了zeta电位和非共价分子相互作用，如氢键和疏水相互作用在苦参碱/SPc复合物的形成中起着重要作用。与单独使用苦参碱相比，苦参碱/SPc复合物有效减小了粒径，达到了10纳米级别，提升了叶面附着力和植物內吸性，显著提升了利用率和靶向传输性。与单独使用苦参碱相比，半数致死时间减少了1天，最终死亡率提高了17.5%，实现了提速增效作用。此外，SPc还可以提高D-柠檬烯和除虫菊酯对害虫的控制效果，在毒性和速性方面取得了显著改善，表现出高适配属性。在温室蔬菜害虫防治中，纳米化的植物源农药能够减少农药使用量和施用频率，展现出可持续害虫管理的潜力[7]。在另一项研究中，SPc通过静电相互作用快速与植物源农药蛇床子素结合，将粒径降低到纳米级（17.66 nm）。蛇床子素/SPc复合物不仅能够同时控制虫害（桃蚜和二斑叶螨）和病害（白粉病），还能提高植物对药剂的吸收效率。与单独使用蛇床子素相比，害虫的最终死亡率提高了20%以上，在不同时间段对病害的防效提高了8.72%-11.2%，且对草莓果实品质和非靶标捕食者无不良影响。同时，SPc的引入不仅提高了植物摄取量，而且由于降解速率更高，还降低了蛇床子素的残留。这种多功能的纳米制剂为农业可持续发展提供了一种绿色高效的病虫害管理策略。
2、微生物农药纳米制剂
微生物农药是利用微生物或其代谢产物来防治农业害虫、病害和杂草的一类生物农药，主要包括细菌、真菌和病毒等。根据作用对象的不同，微生物农药可分为杀虫剂、杀菌剂、除草剂和生长调节剂等。微生物通过不同的机制发挥作用：对于害虫，微生物能够侵入其体内繁殖，破坏免疫系统或分泌毒素，导致细胞和组织损伤，从而杀死害虫；对于植物病害，微生物主要通过竞争性抑制或产生抗菌代谢产物来抑制病原菌的生长，达到控制病害的目的。微生物农药作用范围广、无公害且持久性强，但从应用情况来看，其起效速度慢于传统化学农药且最终防效难达预期。此外，尽管多数微生物农药具有靶向特异性强和安全性高的优势，但其杀虫谱窄以及应用范围小的问题限制了其广泛应用。
纳米载体递送病毒核酸可以应对这一挑战，一种荧光型纳米载体以苝类衍生物为刚性荧光核周围是柔性树枝状阳离子聚合物，这种荧光型纳米载体SPc不仅可以作为标记物用于细胞成像与示踪，而且能够与昆虫病毒DNA稳定结合，形成粒径小于100 nm的荧光示踪型载体/病毒DNA复合体，这种复合体能够有效绕过非寄主细胞的识别机制，直接进入非寄主细胞，并在其中复制增殖，最终导致害虫细胞凋亡。另一种荧光型纳米载体同样以苝类衍生物为刚性荧光核，周围是为柔性树枝状聚合物链并携带阴离子氨基酸基团，该纳米载体通过静电作用、氢键以及范德华力与外源蛋白质结合，实现了蛋白质的高效递送，原本对Cry1Ab毒素不敏感的小地老虎在纳米递送处理下生长发育受到明显的抑制，死亡率由28.3%显著提高至75%。
3、生物源免疫诱抗剂纳米制剂
生物源免疫诱抗剂作为一种新型生物农药，具有显著的环保优势和广谱抗病效果，与传统化学杀菌剂相比，能够有效降低农药残留，减少对人体和环境的危害。这些诱抗剂通过激活植物的免疫系统，诱导基础免疫反应，增强植物抵御病原的能力，且不易引发抗药性问题，具有持久的防病效果。近年来，随着植物免疫学的不断发展，科研人员已识别出多种免疫诱抗子，如蛋白质、寡糖、脂类等，这些物质在农业中已得到应用，如美国的″Messenger″免疫诱抗剂和中国的氨基寡糖素等，均显著提高了作物抗病性并推动了免疫诱抗剂的产业化。然而，免疫诱抗剂的发展仍面临一些挑战，如生产成本较高、在不同作物中的效果差异较大，这限制了其大规模推广。
纳米载体SPc能够通过氢键、范德华力或静电作用与不同免疫诱抗剂形成纳米级复合物，显著降低这些物质的粒径，并提高其稳定性和植物吸收效率。如SPc通过与壳聚糖形成纳米复合物能够激活植物内吞作用，促进壳聚糖进入细胞质，从而上调与植物防御相关的基因（如PR1、WRKY34、PIK1等）表达，增强植物对病原体的系统抗性，使得抗马铃薯晚疫病效果提高了30%～40%。在对烟草花叶病毒病的防治中，SPc与香菇多糖（LNT）自组装形成多功能纳米保护剂，通过静电作用钝化烟草花叶病毒（TMV），同时，SPc可以作为助剂增强LNT的免疫诱抗效果，显著提高水杨酸和抗氧化酶水平，激活植物防御反应。与单独使用LNT相比，处理后7天的防效由27.3%提高至91.5%。在另一项研究中，SPc与纤维二糖结合形成纳米制剂，通过增强内吞作用放大植物的系统防御反应，协同抑制病原体并提升植物抗性，在防治马铃薯晚疫病的过程中，病情指数从85%降低到18%。这些研究展示了纳米载体SPc在植物诱抗中的多重功能，为诱抗剂应用推广的难题提供了高效、低成本的解决方案。
4、RNA农药纳米制剂
RNA农药纳米制剂是一种将RNA干扰（RNAi）技术与纳米递送系统相结合的新型生物农药。传统RNA农药在实际应用中面临诸多挑战，如双链RNA在环境中的不稳定性、易被核酸酶降解以及难以有效穿透生物体壁或细胞膜等。基于SPc纳米递送系统，RNA农药纳米制剂在细胞水平上能够通过静电作用使带负电的核酸分子与带正电的纳米载体自发结合，从而实现核酸的高效装载。随后，在细胞摄取过程中，纳米载体能够协助核酸分子进入内吞囊泡，并促进其从内体逃逸，避免被溶酶体降解。在活体水平上，纳米载体能够有效保护dsRNA免受环境和生物体内核酸酶的降解，显著提高核酸分子的稳定性。此外，纳米载体还能够穿透昆虫体壁、植物角质层和细胞壁，将核酸分子高效递送至目标细胞。因此，RNA农药纳米制剂能够在很大程度上克服核酸分子自身在应用方面的不足，充分发挥其特异性高、安全性强、靶标范围广以及环境友好等优势。
基于纳米载体SPc的RNA生物农药递送系统显著提高了RNAi在多种害虫中的效率和应用潜力。例如，Ma等利用喷洒型的纳米递送系统显著提高了RNAi的效率，诱导了白背飞虱高达78%的死亡率，同时对非靶标生物没有显著影响，显示出良好的生物安全性。在对桃蚜的防治中，纳米载体SPc不仅保护dsRNA免受环境降解，还增强了其穿透害虫体壁的能力，在温室喷洒试验中可以达到60%以上的防效，显示出强大的应用潜力。值得注意的是，鳞翅目害虫因其组织液具有强大的核酸降解能力以及RNAi关键组分的缺失，一直是RNA农药应用的难题和挑战。在对亚洲玉米螟的防治中，研究者采用自组装的SPc纳米递送系统，通过静电作用、氢键和范德华力将dsRNA与纳米载体结合，形成稳定的球形颗粒，不仅保护dsRNA免受核酸酶降解，还能高效递送dsRNA进入昆虫体内，克服了传统RNAi在鳞翅目昆虫中效率低下的瓶颈。通过饲喂RNA纳米制剂，成功实现了高效的基因沉默，显著抑制幼虫的取食和生长发育，田间防效达84%。另有研究者利用RNA纳米制剂，针对草地贪夜蛾的卵、低龄幼虫、高龄幼虫、蛹、成虫制定了包括浸泡法、体壁渗透法、喂养法和注射法4种不同的基因干扰方式，成功实现了对不同发育时期的草地贪夜蛾的高效RNAi，为其基因功能研究和RNA农药靶点筛选提供了完整的RNAi方法体系。在植物病害防治领域，研究者利用纳米载体提高dsRNA在环境中的稳定性，延长其在土壤和植物中的活性，并显著增强dsRNA进入病原真菌细胞的效率。有研究结果表明，相较于对照组，采用纳米载体递送dsRNA的处理方式，使水稻纹枯病的病斑面积减少了54%，且这一显著防治效果能够持续长达20 d。
5、多元纳米制剂
多元纳米制剂利用纳米材料强大的装载能力，将多种活性成分结合在一起。与普通纳米制剂相比，多元纳米制剂通常设计用于克服单一药剂的局限性，或通过多种药剂的协同作用来提升药效、延长作用时间、减少用量。目前利用纳米载体SPc在生物农药多元纳米制剂的研究上取得了很多新的进展。纳米载体SPc可以同时装载靶向关键免疫基因的RNA农药和植物源农药苦参碱，这种防治桃蚜的新型复方纳米制剂，克服了药剂单独使用时RNA农药持效期短、苦参碱见效慢的缺点，在田间的综合防效可达90%以上。SPc可以同时装载纤维二糖和dsRNA形成纳米复合物，这种复方纳米制剂既可以增强植物对病原体的防御反应，又能通过基因干扰抑制病原菌的侵染，有利于马铃薯晚疫病的可持续绿色管理。解毒酶的上游转录调控因子Nrf2 基因是一个有效治理害虫抗药性的靶基因，在RNAi后显著抑制草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda中多种解毒基因（如P450s和GSTs）的表达。通过SPc的强大自组装能力，高效构建氯虫苯甲酰胺/SPc/dsNrf2复合物，显著提升了草地贪夜蛾对药剂的敏感性，其协同效应使药剂用量减少至单独使用时的26.48%。
6、讨论
纳米载体SPc在生物农药递送领域展现出了显著优势，其正电荷特性使其能够高效负载带负电的生物活性分子，如核酸（dsRNA）、植物源农药（如萜类、生物碱）以及生物源免疫诱抗剂，形成稳定的纳米复合物。这种静电吸附作用不仅提高了载药效率，还增强了制剂的稳定性，使其在复杂农业环境中保持活性。在不同类型的生物农药的测试中，除了静电吸附作用，还发现其他分子间的作用力如氢键、疏水相互作用和范德华力使得SPc能够高效装载生物农药，并发挥发挥纳米载体的尺寸效应，将复合物的粒径降低至纳米级。此外，SPc的生物相容性和可降解性使其成为实际应用的理想载体，符合绿色农业的发展需求。
尽管基于SPc的纳米制剂在实验室和小面积田间试验示范中表现出良好的应用潜力，尤其在提高生物农药递送效率和增强生物防治效果等方面展现了巨大潜力，然而，生物农药纳米制剂在实际应用中仍面临诸多挑战，未来需要进一步研究和探索。首先，纳米载体在生物防治中的作用机制虽然已经有所揭示，但其在复杂农业生态系统中的长期效果和潜在风险尚不完全明确。如纳米载体对土壤微生物群落的影响、对非靶标生物的潜在毒性以及其在环境中的持久性等问题仍需进一步探索。对此，未来需要深入研究纳米载体在田间的作用方式、生物降解性和累积效应，以确保其安全性和可持续性。尤其是建立针对纳米载体和纳米制剂的精准、合理、可实施的综合评价体系显得尤为重要。其次，包括SPc在内，不同类型的纳米载体，如壳聚糖、阳离子聚合物、脂质体、胍类聚合物等，具有不同的材料结构和应用方式，因此在生物防治中对不同靶标的效果差异较大。
对此，未来的研究可以聚焦于两个方面：一方面是对不同类型纳米载体的优化，针对特定作物、害虫或病害开发个性化的纳米载体应用系统。尤其是结合多种生物活性成分的复方生物防治策略，需要针对性地进行材料设计与优化；另一方面，高兼容性且具有广谱作用机制的纳米载体可用于防治同类别的病虫害或实现虫病同防，这对于减少农事操作、节约成本具有重要意义。此外，纳米载体的生产成本和规模化应用仍然是限制其广泛应用的重要因素。低成本、高效的纳米载体合成方法以及更加绿色、环保的大规模生产技术是未来的研究重点。
尽管存在一些挑战，纳米技术在农业生物防治中的前景依然广阔。随着纳米载体研发和生产技术的不断进步，未来的农业病虫害防治将更加依赖于高效、安全和可持续的纳米生物农药创制技术。特别是在抗药性日益严峻的情况下，纳米制剂的应用有望为农业生物防治带来革命性突破，为农业可持续发展提供创新的解决方案。
来源: 中国生物防治学报-CNKI