中国农业大学--徐勇/吴学民与扬州大学冯建国老师团队:基于氧化锌和春雷霉素的pH响应型纳米递送平台的构建,用于水稻病菌的高效绿色防控
近日，中国农业大学徐勇老师与吴学民老师与扬州大学冯建国老师团队合作在《Chemical Engineering Journal 》发表名为"Fabrication of a pH-responsive nanodelivery platform based on ZnO and kasugamycin for synergistic delivery in the efficient and green management of rice bacterial leaf streak" 的期刊论文。该团队核心是构建了一种基于 ZnO 纳米球和多聚多巴胺（PDA）的 pH 响应型纳米递送平台（ZnO@PDA-KAS），并负载春雷霉素（KAS），实现对水稻细菌性条斑病的高效、绿色协同防控，为植物细菌性病害的智能精准治理提供了全新的纳米农药策略。
发表日期：2026年02月08日
关键词：聚多巴胺；氧化锌纳米球；春雷霉素；稻黄单胞菌稻生致病变种；协同抗菌活性
由稻黄单胞菌稻生致病变种（Xoc）引发的水稻细菌性条斑病是一种极具破坏性的重大病害，该病害通常在水稻分蘖期侵染植株，严重阻碍植株生长发育，进而导致产量大幅下降。目前，水稻细菌性条斑病的防治手段仍存在诸多不足，且随着病原菌致病性不断增强、传播能力持续提升，重病田块的产量损失率可达 20%~50%。为防控该病害，链霉素、铜制剂等传统化学杀菌剂仍被广泛使用，但这类药剂存在施药频次高、农药利用率低的问题，还会给环境带来沉重负担。因此，研发高效、低生态影响的新型杀菌制剂，是推动农业可持续生产的迫切需求。在众多候选材料中，氧化锌（ZnO）因合成方法简便、成本低廉且结构易于修饰，受到了广泛关注。此外，ZnO 可在酸性条件下降解释放锌离子（Zn²⁺），这一特性使其对多种植物病原菌具有天然的抗菌活性。聚多巴胺（PDA）是一种仿贻贝的生物相容性聚合物，其分子上的儿茶酚侧链可通过多种物理化学作用牢固结合于有机和无机基质表面，是理想的植物表面包覆材料。同时，PDA 在病原菌侵染形成的酸性微环境中会发生刺激响应性降解。因此，聚多巴胺包覆的氧化锌基纳米材料（ZnO@PDA）可在酸性条件下快速降解，实现 Zn²⁺与农药活性成分的按需释放，从而达到协同抗菌的效果。春雷霉素（KAS）是一种氨基糖苷类抗生素，具有高效的抗菌活性，被广泛用于防治稻瘟病菌、梨火疫病菌和稻黄单胞菌稻生致病变种等病原菌。在病害爆发前预防性施用春雷霉素，被认为是一种有效的病害防控策略。但该药剂对日光和紫外线照射高度敏感，这一缺陷使其在田间条件下的利用率大幅降低，药效持效期也随之缩短。该研究首先通过水热法制备氧化锌纳米颗粒，再通过自聚反应在其表面形成聚多巴胺包覆层，最后利用席夫碱反应将春雷霉素偶联于 ZnO@PDA 富含醌基的表面，制备出具有 pH 响应释放特性的 ZnO@PDA-KAS 纳米颗粒。本研究对该纳米颗粒的理化性质进行了表征，并探究了其控释行为、叶面黏附持留性和光稳定性，以及在水稻植株内的转运特性。随后，系统研究了该纳米颗粒的体外和体内抗菌活性，并阐明其抗菌作用机制。最后，评估了该纳米颗粒对水稻种子和人正常肝细胞 L02 的生物安全性。本研究为稻黄单胞菌稻生致病变种的绿色可持续防控提供了新策略，也为研发更高效、更安全的氧化锌基纳米农药递送系统奠定了基础。
图1全方位呈现了 ZnO@PDA-KAS 纳米颗粒的制备流程与微观结构特征，其中 A 为该纳米颗粒的制备流程图，先通过水热法合成 ZnO 纳米球，再在弱碱性条件下让多巴胺盐酸盐在其表面原位聚合形成 PDA 包覆层，最后经席夫碱反应将春雷霉素（KAS）共价偶联于 ZnO@PDA 表面，得到核壳结构的 ZnO@PDA-KAS；B-D 的 SEM 图像依次展示了 ZnO、ZnO@PDA、ZnO@PDA-KAS 的形貌，可见 ZnO 为形貌规则、分布均匀的球形结构，经 PDA 包覆后颗粒表面形成不规则涂层，偶联 KAS 后粒径无明显变化；E-F 的 TEM 图像更直观地展现出 ZnO@PDA 的核壳结构，PDA 壳层厚度约 20 nm；G-K 的元素 mapping 结果则显示 Zn、C、N、O 元素在 ZnO@PDA-KAS 纳米颗粒中均匀分布，从成分层面进一步证实了该核壳结构纳米颗粒的成功制备。图2通过多种光谱学与热分析手段，从分子结构与组成层面系统证实了 ZnO@PDA-KAS 纳米颗粒的成功构建及其成分演变：傅里叶变换红外光谱（FTIR）对比显示，ZnO@PDA 出现了 PDA 的特征吸收峰，而 ZnO@PDA-KAS 中 C=N 键的特征峰则直接证明了春雷霉素（KAS）与 PDA 之间席夫碱共价键的形成；X 射线光电子能谱（XPS）的全谱与高分辨谱进一步验证了各元素结合能的变化及 N 元素化学环境的改变，确认了 KAS 的成功偶联；同时，热重分析（TGA）曲线呈现出三阶段的失重规律，不仅清晰对应了 PDA 壳层的包覆量与 KAS 的载药量，也与高效液相色谱（HPLC）的测定结果相吻合，全面完成了对该纳米递送平台化学结构与组成的表征。2.3 ZnO@PDA-KAS 的存储稳定性与响应控释性能图3围绕 ZnO@PDA-KAS 纳米颗粒的存储稳定性与 pH 响应控释性能展开全面表征，其中 A 为该纳米颗粒在 25℃下储存 1、3、7、14 天的粒径与多分散指数（PDI）变化，粒径始终维持在 314.2~327.4 nm，PDI 无明显波动，证明其具备优异的存储稳定性；B 为对应储存时间的纳米颗粒悬浮液外观，全程无沉淀、无明显形态变化，进一步验证其胶体稳定性；C 为春雷霉素（KAS）的 HPLC 标准曲线，呈现出良好的线性关系（R²=0.9985），为后续 KAS 释放量的定量检测提供可靠依据；D 为不同 pH（5、6、7）条件下 KAS 与 Zn²+ 的累积释放曲线及四种动力学模型拟合结果，显示二者在酸性环境中释放量显著提升，pH=5 时 30 h 内 KAS 与 Zn²+ 累积释放率分别达 71.3% 和 21.2%，中性条件下仅为 8.5%，且 KAS 释放符合一级动力学模型、Zn²+ 释放符合 Ritger–Peppas 模型，明确了该纳米颗粒的酸响应控释特性与释放动力学规律。图3：ZnO@PDA-KAS 的存储稳定性与响应控释性能图4从润湿性、持留量和抗雨水冲刷性三个核心维度，系统论证了 ZnO@PDA-KAS 纳米颗粒卓越的叶面黏附与沉积性能：接触角测试结果显示，该纳米颗粒在水稻叶面上的接触角显著低于去离子水、纯 KAS 水溶液和纯 ZnO 颗粒，亲水性能大幅提升；叶面持留量定量分析表明，ZnO@PDA-KAS 的持留量达到 10.62 mg・cm⁻²，是纯 KAS 水溶液的 2 倍以上；模拟降雨实验结合荧光成像与 SEM 表征进一步直观证实，得益于 PDA 的强黏附特性，ZnO@PDA-KAS 在水洗后仍能大量牢固附着于叶片表面并形成致密涂层，而纯 ZnO 颗粒几乎被完全冲刷脱落，充分证明该纳米递送平台能有效解决传统农药易流失的痛点。图5通过光稳定性测试与水稻体内双向转运示踪实验，清晰展现了 ZnO@PDA-KAS 纳米颗粒的两大核心优势：光保护作用与全株转运能力。光稳定性实验数据显示，经 72 小时紫外照射后，纯春雷霉素（KAS）的有效成分仅剩 2.74%，而 ZnO@PDA-KAS 处理组的保留率高达 71.27%，证实 PDA 壳层能为光敏性农药提供强效的紫外屏蔽保护；同时，利用 FITC 荧光标记结合激光共聚焦显微镜观察，该图直观呈现了纳米颗粒既可通过叶面喷施经叶片吸收并向下转运至茎和根，也能通过根系吸收向上传导至茎和叶的双向转运特性，明确其可在水稻体内实现全株分布，为实现病害的系统性防控奠定了关键基础。图6通过体外抑菌活性测定与体内盆栽防效试验的系统性数据，直观且有力地证实了 ZnO@PDA-KAS 纳米颗粒的显著协同抗菌效果：体外实验中，该纳米颗粒对稻黄单胞菌稻生致病变种（Xoc）的生长抑制率呈明显的浓度依赖性，在 8 mg・L⁻¹ 低浓度下即展现出远优于纯 KAS 水溶液和纯 ZnO 颗粒的抑制效果，其 EC₅₀值仅为纯 KAS 水溶液的 1/5.3，协同效应显著；体内盆栽试验进一步验证，200 mg・L⁻¹ 浓度的 ZnO@PDA-KAS 对水稻细菌性条斑病的防效高达 72%，是纯 KAS 水溶液防效（31%）的 2.3 倍，病斑面积显著减小，充分证明该纳米递送平台能通过协同作用将实验室的体外活性成功转化为优异的田间实际防控效果。图7从病原菌损伤、水稻防御激活、生物膜抑制和 DNA 损伤四个维度，系统阐释了 ZnO@PDA-KAS 纳米颗粒对稻黄单胞菌稻生致病变种（Xoc）的协同抗菌机制：SEM 形貌观察显示，对照组 Xoc 菌体结构完整饱满，KAS 水溶液仅造成菌体轻微皱缩，而 ZnO@PDA-KAS 则使 Xoc 表面出现严重褶皱和凹陷，菌体微观结构遭重度破坏；水稻抗氧化酶活性检测表明，ZnO@PDA-KAS 处理后水稻叶片的 SOD、POD、CAT 活性显著高于 KAS 水溶液处理组，最高分别为对照组的 1.79、2.03 和 1.67 倍，有效激活了水稻自身的防御系统；生物膜抑制实验发现，ZnO@PDA-KAS 对 Xoc 生物膜形成的抑制率达 78.8%，远高于 KAS 水溶液的 44.2%，能显著阻断病原菌的生物膜构建；琼脂糖凝胶电泳结果进一步证实，ZnO@PDA-KAS 对 Xoc 基因组 DNA 的损伤程度最为显著，DNA 条带亮度大幅降低，结合 Zn²+ 与 KAS 的协同作用，从多靶点实现了高效抗菌。图8围绕从植物安全性与细胞生物相容性两个关键层面，全面验证了 ZnO@PDA-KAS 纳米颗粒的低毒特性与环境友好性：在植物层面，不同浓度（25~200 mg・L⁻¹）的该纳米颗粒处理水稻种子后，其发芽率均超过 90%，且培养 7 天后的幼苗根长、苗长与清水对照组无显著差异，未表现出任何生长抑制作用，证实其对靶标作物水稻安全无害；在细胞层面，以人正常肝细胞 L02 为模型的 CCK-8 实验显示，100 mg・L⁻¹ 浓度处理 24 h 和 48 h 后，细胞存活率仍保持在较高水平，显著高于纯 KAS 水溶液处理组，同时流式细胞术检测的细胞凋亡率与对照组接近，无明显细胞毒性，充分说明该纳米递送平台在高效抗菌的同时，对非靶标生物具有良好的生物相容性。该研究构建了以氧化锌纳米球为核、聚多巴胺为响应性壳层并共价偶联春雷霉素的 ZnO@PDA-KAS pH 响应型纳米递送平台，该平台具备优异的胶体稳定性、高叶面黏附持留性与抗雨水冲刷能力，可通过叶面和根系双向转运实现水稻全株分布；其核心优势在于能在病原菌侵染的酸性微环境中按需协同释放春雷霉素与锌离子，结合聚多巴胺的紫外保护作用显著延长了农药持效期，通过直接破坏稻黄单胞菌菌体结构、抑制生物膜形成并激活水稻自身抗氧化防御系统的双重机制，实现了对水稻细菌性条斑病的高效防控，防效较纯春雷霉素提升 2.3 倍；同时，该纳米颗粒对水稻种子萌发、幼苗生长无不良影响，且对人正常肝细胞毒性极低，展现出卓越的生物安全性。综上，ZnO@PDA-KAS 纳米递送系统有效解决了传统春雷霉素利用率低、持效期短的瓶颈问题，为植物细菌性病害的智能、精准、绿色防控提供了全新的纳米农药策略，也为氧化锌基多功能农业纳米材料的研发与应用奠定了重要理论和实验基础。文章题目：Fabrication of a pH-responsive nanodelivery platform based on ZnO and kasugamycin for synergistic delivery in the efficient and green management of rice bacterial leaf streak.
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