近日，我校植物保護學院、天然農藥與化學生物學教育部重點實驗室、廣東省生物農藥工程技術研究中心徐漢虹教授/張志祥教授團隊在國際化工領域的權威期刊Chemical Engineering Journal(工程技術1區top期刊，影響因子16.74)發表題為“A β-cyclodextrin-functionalized metal–organic framework enhances the insecticidal activity of indoxacarb by affecting amino acid metabolism in red imported fire ants”的科研論文(論文鏈接：//doi.org/10.1016/j.cej.2023.141417)。論文第一單位為華南農業大學，我校2022級博士研究生楊留鵬為論文第一作者，我校植物保護學院張志祥教授和徐漢虹教授為通訊作者。這是該團隊近期發表的第5篇關于納米農藥害蟲控制和納米制劑安全性評價方面的研究論文。其它相關研究成果發表在國際知名期刊《Carbohydrate Polymers 》(中科院1區Top，影響因子 10.72)、《Environmental Research》(中科院2區Top，影響因子8.43)和《International Journal of Biological Macromolecules》(中科院1區Top，影響因子8.03)上。上述論文反映了團隊近期圍繞納米農藥害蟲控制和納米制劑安全性評價方面取得的系列研究進展。
受生態變化和人類活動等因素的影響，紅火蟻在中國的入侵范圍不斷擴大，危害日益嚴重。將昆蟲消化過程與納米控釋農藥制劑技術相結合是一種有效的害蟲管理方法，可以根據昆蟲的微環境在目標部位按需釋放農藥。在這項工作中，描述了一種通過控制反應溫度和原料比例快速合成直徑為200~1500 nm的沸石型咪唑骨架-90 (ZIF-90)納米顆粒的方法。通過將β-環糊精(β-CD-NH2)與裝載茚蟲威(IDC)的ZIF-90納米顆粒(IDC@ZIF-90-CD)結合構建了具有pH和α-淀粉酶雙重刺激響應的智能農藥遞送體系。納米顆粒表面的β-CD-NH2涂層減少了茚蟲威的光降解，并減少了活性成分的過早釋放。體外釋放動力學表明IDC@ZIF-90-CD在酸性和淀粉酶條件下快速釋放茚蟲威。生物活性試驗結果表明，IDC@ZIF-90-CD通過增加紅火蟻取食量和破壞腸道細胞增強了茚蟲威的殺蟲活性。非靶向代謝組學結果表明IDC@ZIF-90-CD通過干擾6種氨基酸和1種氨基酸轉運載體的代謝途徑影響了紅火蟻的代謝。研究表明基于ZIF-90的納米農藥在高效農藥遞送和精確病蟲害管理方面具有潛在應用，這些發現可能為未來的農藥配方設計和可持續害蟲管理提供了新的見解。相關研究發表在Chemical Engineering Journal (IF2022=16.74)上(論文鏈接：//doi.org/10.1016/j.cej.2023.141417)。
針對紅火蟻中腸為酸性的特性，利用可生物降解的殼聚糖(CS)和羧甲基殼聚糖(CMCS)制備了對pH敏感的殼聚糖基魚藤酮(Rot)納米顆粒(CS/CMCS/Rot-NPs)。殼聚糖基納米粒子對Rot顯示出光保護和緩慢的持續釋放作用，顯著提高了Rot對紅火蟻的殺蟲活性。與魚藤酮原藥相比，這項研究制備的CS/CMCS/Rot-NPs顯著削弱了紅火蟻的攻擊性，降低了紅火蟻及其生存環境中的毒液生物堿含量。研究揭示了可生物降解殼聚糖材料在農業中的新應用，通過生產殼聚糖基納米農藥控制紅火蟻，增加其在生態環境中的生存成本，削弱其生存能力從而限制其種群增長。研究表明，納米技術與植物性殺蟲劑相結合，可作為一種新穎、安全、有效和生態友好的方法來控制紅火蟻。相關研究發表在International Journal of Biological Macromolecules (IF=8.03)上 (論文鏈接：//doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.08.066)。
魚藤酮因其植物源農藥的特性-可生物降解，環境殘留較低，長期以來被用于控制害蟲，也被許多國家用作魚類種群管理。然而，在害蟲防治的田間應用過程中，魚藤酮通常會因噴霧漂移或降雨后的地表徑流而進入地表水，這會導致水污染和魚類意外死亡。因此針對南方池塘水大多為酸性的地理特性，利用環境友好的海藻酸鈉(SA)與Ca2+的交聯制備了對pH敏感的海藻酸鈉納米顆粒(alginate beads)用來封裝魚藤酮。此納米材料具有較高的魚藤酮負載效率并對溶液pH響應良好。在酸性條件下，氫鍵使得結構連接更加緊密，魚藤酮的釋放速率較低；在高pH下，分子間排斥作用使魚藤酮更迅速地釋放。在pH為5.5時，與相同劑量的魚藤酮乳油相比，納米材料對斑馬魚和胚胎毒性降低了2~4倍，具有良好的生態安全性。相關研究發表在Environmental Research(IF=8.43)上 (論文鏈接：//doi.org/10.1016/j.envres.2022.114565)。
基于農田系統中露水多為酸性，而鱗翅目害蟲腸道為堿性，以O-羧甲基殼聚糖 (O-CMCS) 包封高效氯氟氰菊酯 (LC)形成LC/O-CMCS，再通過植物油基聚氨酯 (PU) 包覆，制備了堿性響應型LC@O-CMCS/PU納米制劑。與LC商品制劑相比，LC@O-CMCS/PU納米制劑在葉表面具有更強的附著力和抗露水淋溶特性，對小菜蛾比LC乳油具有更好的防效，顯著降低了對異色瓢蟲的毒性。對于露水存在的葉片上，納米制劑中的有效成分難以被溶出，顯著改善了異色瓢蟲在施藥葉片上的生存環境。研究揭示了以多糖+聚氨酯為載體的納米農藥制劑在農田微環境中的特殊控釋機制，為研究綠色環保農藥與天敵聯合防控害蟲提供了新思路。相關研究發表在Carbohydrate Polymers(IF=10.72)上(論文鏈接：//doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.120373)。
根據鱗翅目害蟲(8.0＜pH＜9.5)與蜜蜂(5.0＜pH＜6.0)的腸道pH差異，通過多糖材料O-羧甲基殼聚糖 (O-CMCS)與三聚磷酸鈉(TPP)交聯反應，制備了pH響應控釋蟲螨腈納米顆粒(CF@O-CMCS)。CF@O-CMCS納米顆粒在酸性環境中表面收縮，降低了蟲螨腈釋放量，在堿性環境中則膨脹破裂，使蟲螨腈大量釋放。與蟲螨腈懸浮劑相比，CF@O-CMCS對草地貪夜蛾3齡幼蟲具有更好的防效，顯著降低了對蜜蜂毒性。通過LC-MS/MS對腸道中的蟲螨腈及其代謝物(溴代吡咯腈)檢測，攝入CF@O-CMCS組蜜蜂腸道的農藥含量顯著低于攝入蟲螨腈懸浮劑組，而在草地貪夜蛾的腸道中CF@O-CMCS組的農藥含量比蟲螨腈懸浮劑組高。研究揭示了O-羧甲基殼聚糖基納米農藥在鱗翅目害蟲和蜜蜂之間的藥物遞釋機制，為降低農藥對蜜蜂毒性，提高農藥有效利用率提供了解決新方案。相關研究發表在International Journal of Biological Macromolecules(IF2022=8.03)上(論文鏈接：//doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2022.10.182)。
徐漢虹/張志祥教授團隊長期致力于害蟲精準防控技術研究，開展納米農藥害蟲控制研究和納米制劑安全性評價，在有效，快速，精準防控害蟲的同時，降低對非靶標生物的毒性危害。近期，團隊圍繞在重大入侵害蟲紅火蟻、草地貪夜蛾的可持續控制，以及對瓢蟲、斑馬魚和蜜蜂非靶標生物的安全保護研究方面取得了系列重究成果，為可持續害蟲管理提供了新穎，安全，有效和生態友好的防控新思路。
上述論文第一作者分別為我校農藥學博士生楊留鵬(1篇)、鄭群(1篇)、侯瑞權(2篇)及碩士生宋紫霞(1篇)，徐漢虹教授、張志祥教授、趙晨副教授及佛羅里達大學陳建軍教授為這些論文的通訊作者。相關研究得到了廣東省重點領域研發計劃項目(No. 2020B020224002)、廣東省現代農業產業技術創新團隊專項資金(No. 2020KJ122和2023KJ122)、廣東省農業科技創新促進與農業資源與生態環境保護建設項目(No. 2022KJ122)、廣東省現代農業產業技術體系(農業資源與環境關鍵共性技術創新團隊建設任務)(No. 2022KJ118)和廣州市科技計劃項目(No. 202102080120)資助。
文圖/植物保護學院