近日，华中农业大学陈利珍老师与蔡万伦老师团队合作在《Pest Management Science》发表名为"A lignin-coated nanopesticide delivery system reduces the risk of avermectin to the natural predator, Harmonia axyridis" 的期刊论文。该团队聚焦木质素纳米涂层修饰的阿维菌素纳米农药传递系统（AVM@LGN），系统评估了其对天敌昆虫异色瓢虫（Harmonia axyridis）的生物安全性，同时验证了其对靶标害虫豌豆蚜的杀虫活性，为纳米农药的生态安全评价和农业应用提供了关键的理论与实验依据，核心结论是AVM@LGN 显著降低了阿维菌素对异色瓢虫的毒性和不利影响，且不影响对靶标害虫的防效。
发表日期：2025年12月12日
关键词：阿维菌素；生物安全性；异色瓢虫；纳米农药；应激相关酶活性
木质素（LGN）作为一种储量丰富的可再生生物聚合物，具有两亲性、抗菌活性和抗氧化能力等显著特性。凭借其反应性苯丙烷单元、共轭结构和亲水性官能团，木质素已被用作可交联涂层材料和控释农用化学品制剂的基质。随着纳米材料加工技术的最新进展，木质素也已被制备成纳米颗粒，成为农用化学品纳米制剂中用途广泛的基质。该策略显著提升了农药的亲水性、光稳定性和耐久性。然而，尽管具备这些优势，木质素涂层纳米农药对非靶标生物的潜在生态毒理风险仍未得到充分探究。异色瓢虫（Harmonia axyridis（Pallas），鞘翅目：瓢虫科）是一种重要的捕食性天敌生物，可捕食蚜虫、蓟马和鳞翅目幼虫等。由于其出色的生物防治潜力，异色瓢虫在农业生态系统中频繁暴露于化学农药环境中。已有研究表明，传统农药会显著降低其存活率、发育速率和捕食效率。但纳米农药能否减轻这些不利影响，或是否会对异色瓢虫带来新的生态毒理风险，仍有待评估。该研究采用木质素纳米材料对 γ- 氨基丁酸和谷氨酸门控氯离子通道激动剂 —— 阿维菌素（AVM）进行涂层修饰，制备出纳米级缓释制剂（AVM@LGN）。我们评估了该制剂对异色瓢虫的毒性和亚致死效应，并阐明了异色瓢虫暴露于该制剂后的生理和代谢响应。同时，我们还在传统阿维菌素处理条件下测定了相同指标，以对比评估 AVM@LGN 的生物安全性。此外，通过转录组测序揭示了异色瓢虫响应不同阿维菌素制剂的基因表达模式及潜在分子机制。总体而言，本研究全面评估了 AVM@LGN 缓释制剂对异色瓢虫的生物安全性，为纳米农药风险评估及其在农业中的可持续应用提供了宝贵见解。图1通过透射电子显微镜（TEM）、粒径分布分析及傅里叶变换红外光谱（FT-IR）对木质素纳米材料（LGN）和木质素涂层阿维菌素纳米农药（AVM@LGN）进行了表征，结果显示：AVM@LGN 的形貌与 LGN 相似，但平均粒径（276.19 nm）大于 LGN（170.65 nm）；FT-IR 光谱中，AVM@LGN 在 3465.00 cm⁻¹ 处出现阿维菌素（AVM）特有的–OH 伸缩振动吸收峰，在 1459.00 cm⁻¹ 和 1735.00 cm⁻¹ 处分别出现芳香族 C=C 伸缩和脂肪族 C=O 伸缩的特征峰，结合高效液相色谱（HPLC）测得的 47.13% 载药效率，共同证实 AVM 已成功被木质素纳米材料包封，为后续评估其生物安全性和作用效果奠定了物质基础。图2通过捕食能力测定实验与体重检测，探究了阿维菌素（AVM）和木质素涂层阿维菌素（AVM@LGN）对异色瓢虫的影响，结果显示：经 LC₃₀浓度处理后，异色瓢虫的捕食功能符合 HollingⅡ 型响应模型，AVM 处理组在所有蚜虫密度下捕食量均显著低于对照组和木质素（LGN）组，而 AVM@LGN 组仅在低猎物密度（10、20 头 / 皿）时捕食量受抑制，高密度下抑制效应缓解，且其瞬时攻击率、猎物处理时间及捕食能力（a/Th）均优于 AVM 组，搜寻效率也更高；同时，AVM 组雌性成虫体重和雌雄蛹重显著低于对照组，而 AVM@LGN 组的成虫体重、蛹重与对照组无显著差异，表明 AVM@LGN 在保障对靶标害虫杀虫活性的同时，显著缓解了 AVM 对异色瓢虫捕食能力和体重的抑制作用。图3通过年龄 - 龄期特异性存活率和种群存活繁殖相关曲线，展示了阿维菌素（AVM）和木质素涂层阿维菌素（AVM@LGN）对异色瓢虫生活史的影响，结果显示：与对照组（Control）和纯木质素组（LGN）相比，AVM 和 AVM@LGN 处理均显著降低了异色瓢虫 3 龄、4 龄幼虫、蛹期及雄性成虫的龄期特异性存活率，且在处理初期 10 天内种群存活率急剧下降，存活曲线后续虽趋于平稳但仍低于对照组和 LGN 组；繁殖方面，AVM 处理显著延迟了产卵高峰、缩短了产卵期并抑制日产卵量，而 AVM@LGN 组的繁殖抑制效应明显缓解，其年龄 - 龄期特异性繁殖力（fₓⱼ）、年龄特异性繁殖力（mₓ）及年龄特异性母性（lₓmₓ）的峰值均高于 AVM 组，且接近对照组水平；同时，AVM 组异色瓢虫的生命期望和繁殖价值显著低于对照组，而 AVM@LGN 组有所回升，表明 AVM@LGN 有效减轻了 AVM 对异色瓢虫存活、繁殖及种群延续的不利影响。图4通过检测 24h、48h、72h 三个时间点异色瓢虫体内乙酰胆碱酯酶（AchE）、过氧化氢酶（CAT）、过氧化物酶（POD）和谷胱甘肽 S - 转移酶（GST）四种应激相关酶的活性，探究了阿维菌素（AVM）和木质素涂层阿维菌素（AVM@LGN）对其生理代谢的影响，结果显示：AchE 活性在各处理组间及不同时间点均无显著差异；AVM 组在 24h 和 48h 显著诱导 CAT、GST 活性，而 AVM@LGN 组仅在 48h 对 CAT、GST 活性有显著诱导作用，且诱导强度更温和；POD 活性在 AVM 组无显著变化，仅 AVM@LGN 组在 48h 较木质素（LGN）组显著升高；整体来看，AVM@LGN 相较于 AVM，显著延迟并减轻了对异色瓢虫的生理应激反应，进一步证实其对天敌昆虫的安全性更优。图5通过转录组测序分析探究了异色瓢虫在不同处理下的基因表达差异，结果显示：对照组（Control）与纯木质素组（LGN）间差异表达基因（DEGs）数量较少（46 个上调、35 个下调），对照组与纯阿维菌素组（AVM）间有 154 个上调、195 个下调 DEGs，而 LGN 组与木质素涂层阿维菌素组（AVM@LGN）间有 63 个上调、101 个下调 DEGs，三组对比共存在 30 个共同 DEGs，且 Control vs AVM 组的特有 DEGs（306 个）远多于 LGN vs AVM@LGN 组（114 个）；两组核心对比的 DEGs 表达模式呈中等程度相关（R=0.43），四组处理的转录组多样性无显著差异；GO 富集分析表明，Control vs AVM 组的 DEGs 富集于胞外区域、铁离子结合等功能，LGN vs AVM@LGN 组的 DEGs 则与几丁质基表皮结构及发育相关；随机选取 15 个 DEGs 进行 qPCR 验证，其表达倍数变化与 RNA-seq 结果高度一致（R=0.97），证实了转录组数据的可靠性，同时揭示了 AVM 与 AVM@LGN 对异色瓢虫基因表达的调控路径存在显著差异。图6通过 KEGG 通路富集分析及差异表达基因（DEGs）热图，揭示了异色瓢虫对阿维菌素（AVM）和木质素涂层阿维菌素（AVM@LGN）的分子响应差异，结果显示：对照组（Control）与 AVM 组的 DEGs 显著富集于寿命调控、抗原加工与呈递、昆虫激素生物合成等多个通路，而木质素组（LGN）与 AVM@LGN 组的 DEGs 仅显著富集于昆虫激素生物合成、寿命调控及维生素 B6 代谢三条通路，对照组与 LGN 组的 DEGs 则富集于抗原加工与呈递、内吞作用等通路；进一步分析寿命调控和昆虫激素生物合成通路发现，两种制剂均会下调胰岛素样肽（DILP）基因、抑制昆虫激素合成相关基因（JHAMT、MFE、CYP307A1/2 等）并诱导热休克蛋白（HSPs）相关基因表达，但 AVM 会特异性诱导 3 个小型热休克蛋白基因，且整体调控强度更显著，表明 AVM@LGN 通过更温和且靶向性的基因调控，减轻了对异色瓢虫生长发育和寿命的不利影响，其分子机制与 AVM 存在明显差异。图7通过 RNA 干扰（RNAi）实验探究了关键差异表达基因（DEGs）PEP（LOC123681649，编码 PE-PGRS 家族蛋白）和 MFE（LOC123673635，编码甲基法呢酸环氧化酶类似蛋白）对异色瓢虫的影响，结果显示：与注射 dsGFP 的对照组相比，注射 dsPEP 后异色瓢虫在第 8-10 天的存活率显著下降，注射 dsMFE 后第 7-10 天的存活率显著降低，且两者的 RNAi 干扰效率均有效；同时，敲低这两个基因的表达会导致异色瓢虫出现发育延迟、形态畸形等表型，最终导致死亡，表明 PEP 和 MFE 基因在异色瓢虫对阿维菌素（AVM）及木质素涂层阿维菌素（AVM@LGN）的抗性中发挥关键作用，为揭示其分子抗药性机制提供了直接证据。该研究通过多维度实验综合评估了木质素涂层纳米农药 AVM@LGN 对捕食性天敌异色瓢虫的生物安全性，结果表明，AVM@LGN 在保持对靶标害虫豌豆蚜杀虫活性与纯阿维菌素（AVM）无显著差异的前提下，显著降低了对异色瓢虫的毒性（LC₅₀从 8.940 mg/L 提升至 23.158 mg/L），有效缓解了 AVM 对异色瓢虫捕食能力、个体发育、繁殖力及种群增长的抑制作用，且仅诱导其产生温和的生理代谢响应和与体壁穿透抗性相关的基因表达变化，而非引发剧烈的解毒代谢应激，证实木质素纳米涂层可通过控释效应和增强瓢虫体壁屏障减少 AVM 的不利影响，该研究建立了可行的 AVM@LGN 生物安全评价体系，为木质素涂层纳米农药的生态风险评估及农业可持续应用提供了重要参考和理论支持。文章题目：A lignin-coated nanopesticide delivery system reduces the risk of avermectin to the natural predator, Harmonia axyridis.
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