吉林农业大学--徐晨/王英平/董凯老师团队:具有病原微环境调控多酶活性的粘合性氧化还原调节型纳米农药用于人参灰霉菌的协同防治
近日，吉林农业大学徐晨老师与王英平老师与董凯老师团队合作在《Chemical Engineering Journal 》发表名为"Adhesive and redox modulatory nanopesticides with pathogenic microenvironment-regulated multi-enzymatic activities for synergistic control of ginseng gray mold" 的期刊论文。该团队开发了一种多功能纳米农药（EU@Co/N-HPN），为人参灰霉菌（由灰葡萄孢菌 Botrytis cinerea 引起）的绿色防治提供了创新方案。
小编：纳米酶体系对人参（地域性植株）灰霉病菌的协同防治与探究。
发表日期：2026年02月11日
关键词：纳米农药；纳米酶；病原微环境；氧化还原稳态；黏附性
人参（Panax ginseng C.A. Meyer）作为五加科多年生药用植物，在东亚传统医学中占据独特的治疗地位。由灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea，简称 B. cinerea）引起的灰霉病，是人参商业化种植中导致其药用品质下降和产量锐减的主要病害。该病原菌通过分泌草酸，并与细胞壁降解酶及 ABC 转运蛋白协同作用，形成复合侵染机制。这种 pH 值改变会破坏植物与病原菌界面的氧化还原稳态，同时降低传统杀菌剂的防治效果。化学药剂的过度使用进一步引发了一系列负面影响，包括径流导致的生态毒性、病原菌抗药性增强，以及农药残留带来的食品安全风险。这些问题正推动全球农业向生态兼容型防治策略转型。植物精油成分已成为农作物保护中极具潜力的环保型抗真菌剂。其抗真菌机制包括破坏真菌细胞膜完整性、诱导活性氧（ROS）积累以及干扰细胞能量代谢等。其中，丁香酚（eugenol，简称 EU）作为丁香精油中的一种苯丙烷类化合物，通过多种机制有效抑制灰葡萄孢菌。除已证实的破坏麦角甾醇生物合成、降低线粒体膜电位等作用外，其抗真菌功效还包括抑制菌丝生长、减少生物量积累、阻碍孢子萌发以及破坏菌丝细胞膜完整性。然而，丁香酚水溶性差、耐雨冲性不足等局限性，严重制约了其农业应用。因此，开发先进的递送系统以提高丁香酚的生物利用度和叶面滞留能力至关重要。金属有机框架衍生的纳米酶凭借其固有的多孔结构和类酶特性，突破了传统单功能纳米载体的局限。以 ZIF-67 为前驱体制备的钴 - 氮共掺杂分级多孔纳米酶（Co,N-HPNs），展现出优异的负载能力和 pH 响应型多酶活性。与铁或锰相比，钴经热处理后可提供更优异的催化性能和结构稳定性。这类 Co,N-HPNs 具有 pH 响应型酶活性：在酸性条件下表现出氧化酶样（OXD-like）活性以生成 ROS，而在中性 pH 条件下则切换为超氧化物歧化酶样（SOD-like）和过氧化氢酶样（CAT-like）活性，清除过量 ROS。此外，Co,N-HPNs 通过高温煅烧获得纳米级表面粗糙度，这种纳米结构特征使其在植物叶片表面和真菌菌丝上均具有更强的粘附能力。这些优异特性使 Co,N-HPNs 成为协同防治植物病害的多功能纳米农药理想载体。该研究构建了一种负载丁香酚的粘附性氧化还原调节型纳米农药（EU@Co/N-HPN），旨在提高叶面滞留能力并协同防治人参灰霉病。该纳米农药具有良好的分散性和粗糙表面形貌，可促进在叶片表面的均匀沉积，并与叶片形成 “榫卯互锁” 结构，显著提升耐雨冲性和生物利用度。值得注意的是，EU@Co/N-HPN 能响应病原微环境实现酶活性切换：感染初期，其感知灰葡萄孢菌分泌的草酸，激活氧化酶样活性生成 ROS，与释放的丁香酚协同增强杀菌效果；病原菌被抑制且 pH 值恢复后，其切换为超氧化物歧化酶样和过氧化氢酶样活性，清除过量 ROS 和 H₂O₂，减轻氧化损伤并恢复氧化还原稳态。体外实验和盆栽试验表明，EU@Co/N-HPN 在较低剂量下即可展现出增强的抗真菌效果，并能上调植物关键抗氧化酶活性。转录组测序进一步证实，该纳米农药可显著提高抗病相关基因的表达水平，增强植物免疫防御能力。本研究为智能绿色杀菌剂的开发提供了新策略。图1通过扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）及氮气吸附 - 脱附测试，系统表征了 ZIF-67 前驱体与 Co/N-HPN 纳米酶的形貌、粒径及孔结构特征：ZIF-67 呈现出均匀的菱面十二面体形貌，平均粒径为 323.30±47.84 nm；经高温碳化后的 Co/N-HPN 仍保留多面体结构，但边缘显著粗糙并带有不规则凸起，SEM 和 TEM 测得的平均粒径分别为 307.20±55.69 nm 和 308.87±51.44 nm，粒径略有减小且分布均一；氮气吸附 - 脱附等温线显示 Co/N-HPN 为典型的 IV 型等温线并带有 H1 型滞后环，证明其具有规整介孔结构，BJH 模型分析得出其主导孔径为 8.4218 nm，高比表面积的分级孔结构为丁香酚负载和酶催化反应提供了充足的活性位点，而 EU 负载后 Co/N-HPN 的比表面积显著下降，也印证了丁香酚的成功封装。图2通过红外光谱、热重分析、XRD、XPS、动态光散射、紫外 - 可见吸收光谱及药物释放曲线，全面表征了 EU、ZIF-67、Co/N-HPN 及 EU@Co/N-HPN 的化学组成、结构特征、稳定性与丁香酚释放特性：FT-IR 光谱证实 EU 与 Co/N-HPN 间存在氢键和配位作用，实现了 EU 的成功负载；TGA 分析得出 EU 负载量为 20.18%，且封装后 EU 热稳定性显著提升；XRD 和 XPS 表征验证了 Co/N-HPN 中金属 Co 和 CoN 相的存在，以及氮的成功掺杂和 Co 的化学态；DLS 测试表明 Co/N-HPN 在 14 天内粒径和多分散性指数稳定，胶体分散性优异；UV–Vis 吸收光谱在 280 nm 处的特征峰进一步证实 EU 的成功负载，且测得负载量与 TGA 结果一致；药物释放实验显示 EU@Co/N-HPN 在 pH 3.5 和 7.4 下均呈缓释特性，14 天累积释放率分别达 76.82% 和 73.94%，且释放符合一级动力学和菲克扩散机制，能有效降低环境暴露风险。图3通过系列实验系统表征了 Co/N-HPN 纳米酶的氧化酶样、超氧化物歧化酶样和过氧化氢酶样多酶模拟活性，且验证了其活性的调控特性与催化效能：氧化酶样活性方面，该纳米酶在酸性条件下催化活性显著增强，且活性随自身及底物 TMB 浓度升高而提升，米氏常数与最大反应速率证实其在 pH3.5（契合病原菌酸性微环境）下对底物亲和力高、催化效率优异，负载 EU 后该活性仍保留；超氧化物歧化酶样活性通过 NBT 法验证，Co/N-HPN 能有效清除超氧阴离子，且清除能力随其浓度增加而显著提升；过氧化氢酶样活性检测显示，该纳米酶可高效催化分解 H₂O₂产生氧气，产氧能力与纳米酶浓度、H₂O₂浓度均呈正相关，展现出强底物亲和力与高效催化性能，整体证实 Co/N-HPN 具备 pH 响应的多酶活性，为后续病原微环境中的 ROS 智能调控奠定了实验基础。图4围绕 EU@Co/N-HPN 的叶面粘附、润湿性及耐雨冲性展开系统表征与验证，多维度证实其优异的界面附着性能：先通过示意图阐释其借助表面粗糙度与植物叶片表皮蜡质形成机械互锁的粘附机制，随后经定量检测发现，EU@Co/N-HPN 在人参叶片上的滞留量远高于游离 EU，接触角较 EU 显著降低，润湿性与叶面持留能力大幅提升；微机电平衡系统测试表明，其在人参叶片上的粘附力较纯水提升约 18.76%；模拟降雨实验结合 SEM 与 ICP-MS 分析进一步证实，相较于光滑的 ZIF-67，表面粗糙的 Co/N-HPN 在叶片上分散更均匀、与蜡质层结合更紧密，经 1 次和 3 次冲洗后仍能保持 65.24% 和 44.99% 的滞留率，远高于 ZIF-67 的滞留水平，充分证明 EU@Co/N-HPN 凭借分散性、表面粗糙度与物理互锁的协同作用，实现了粘附性与耐雨冲性的显著提升，能有效减少田间喷雾后的流失，提高农药利用效率。2.5 EU@Co/N-HPN 的抗真菌效能及作用机制图5通过体外多种实验手段系统验证了 EU@Co/N-HPN 对灰葡萄孢菌的抗真菌效能及作用机制，且证实了其与游离 EU、载体 Co/N-HPN 相比的协同增效作用：琼脂平板抑制实验显示 EU@Co/N-HPN 呈浓度依赖性抑菌，250 μg/mL 时菌丝生长抑制率达 97.44%，远高于同浓度 EU 和 Co/N-HPN；离体叶片实验中，该纳米农药在 125、250 μg/mL 浓度下的病斑抑制率均为对照组的约 2 倍，展现出显著的剂量节约效应；菌丝生物量定量实验表明其能强效抑制真菌生物量积累，250 μg/mL 时抑制率达 98.49%，近乎完全抑制生长；SEM 观察发现经 EU@Co/N-HPN 处理的菌丝出现表面塌陷、缢缩、破裂等严重形态畸变，且纳米颗粒可紧密粘附于菌丝表面，结合 PI 荧光染色的强红色荧光信号，进一步证实该纳米农药能破坏真菌细胞膜完整性，通过物理粘附与化学（ROS / 丁香酚）协同的双重机制实现高效抗真菌作用。图5：EU@Co/N-HPN 的抗真菌效能及作用机制图6通过盆栽实验结合生理指标检测，全面验证了 EU@Co/N-HPN 对人参灰霉病的活体防治效果及对人参植株的生理调控作用：盆栽试验显示，250 μg/mL 的 EU@Co/N-HPN 对人参灰霉病的防治效果达 81.30%，显著优于同浓度游离 EU，病斑面积得到有效抑制；同时该纳米农药还能促进人参生长，使植株根长、根径、根鲜重及整株鲜重均较对照组和 EU 处理组有明显提升；对人参叶片生理指标的检测发现，EU@Co/N-HPN 处理后，植株体内 CAT、POD、SOD 等抗氧化酶活性，以及 PAL、PPO 等防御相关酶活性和脯氨酸、可溶性糖含量显著上调，而脂质过氧化产物 MDA 含量大幅降低，充分证实该纳米农药不仅能高效防控人参灰霉病，还可通过调控植株氧化还原稳态、激活防御酶系统，增强人参自身的抗逆免疫能力，实现防病与促生的双重效果。图7通过转录组学分析系统解析了 EU@Co/N-HPN 调控人参抗灰葡萄孢菌的分子机制，多维度揭示其对人参防御和氧化还原相关基因的调控作用：主成分分析显示经 EU@Co/N-HPN 处理的人参叶片转录组特征与健康组、单纯感染组差异显著；差异表达基因分析发现感染组与处理组间有 2328 个差异基因，且该纳米农药显著减少了病原菌引发的转录组重编程；GO 和 KEGG 富集分析表明差异基因主要富集于氧化应激响应、系统获得性抗性、苯丙烷生物合成、植物 - 病原菌互作等通路，核心参与植物抗氧化防御和免疫激活；关键基因热图进一步证实，EU@Co/N-HPN 可显著上调过氧化物酶、抗坏血酸过氧化物酶、过氧化氢酶等抗氧化基因，以及参与苯丙烷合成、MAPK 信号通路的抗病相关基因，同时精准调控茉莉酸 / 水杨酸信号通路相关转录因子，通过协同激活植物抗氧化系统和先天免疫网络，实现对人参灰霉病的分子层面防御调控。图8从细胞、动物、植物及土壤生态多个层面系统评估了 EU@Co/N-HPN 的生物安全性：对人 HaCaT 角质形成细胞无明显毒性，细胞存活率保持较高水平；对蚯蚓急性接触毒性低，7 天内无死亡且生长状态正常；对人参种子发芽率、芽长及根长无抑制作用，甚至有轻微促生长效果；对土壤微生物群落的丰富度、多样性及群落结构无显著负面影响，整体证明该纳米农药在有效杀菌浓度下对非靶标生物安全、生态友好，符合绿色农药的实际应用要求。该研究成功构建了一种负载丁香酚的 pH 响应型粘附性氧化还原调节纳米农药 EU@Co/N-HPN，该纳米载体以钴 - 氮共掺杂分级多孔纳米酶为核心，兼具高负载量、pH 响应多酶活性与强叶面粘附能力，能够在病原菌酸性微环境中激活氧化酶样活性产生活性氧，与丁香酚协同杀灭灰葡萄孢菌，在中性环境下切换为 SOD/CAT 酶活性以修复人参氧化还原稳态；体外与盆栽实验证实其抑菌率高、耐雨冲性强、防病效果显著，并能激活植物防御酶系统与免疫相关基因表达，同时对人细胞、蚯蚓、植物及土壤微生物均表现出良好的生物安全性，整体实现了 “智能响应、高效杀菌、免疫调控、绿色安全” 的一体化病害防控，为绿色纳米农药的设计与作物真菌病害的精准防治提供了新思路与新策略。文章题目：Adhesive and redox modulatory nanopesticides with pathogenic microenvironment-regulated multi-enzymatic activities for synergistic control of ginseng gray mold.
本公众号对相关研究成果的解读，仅供科研探讨与学术学习；如涉及侵权问题，烦请通过后台联系我方作删除处理。
公众号主页汇集多篇优质文章，欢迎各课题组前来投稿交流！
点击关注我们，为您带来更多纳米农药领域知识！
