【好文分享】中国农业大学吴学民团队《Advanced Composites and Hybrid Material》:纳米载体用于响应性盐协同递送及烟草青枯病高效防控

2026年5月6日，中国农业大学吴学民教授/徐勇副教授团队在国际顶级期刊《Advanced Composites and Hybrid Material》（IF=21.8）在线发表题为“Interface-optimized hollow metal–phenolic PDA@ZIF-8 nanocarriers for stimuli-responsive Zn²⁺/Salicylate co-delivery and efficient control of tobacco bacterial wilt”的研究论文。

一、研究背景

土传植物病害（如由青枯菌引起的烟草青枯病）对全球作物产量和农业经济造成严重威胁。传统化学农药仍是防治该类病害的主要手段，但病原菌遗传多样性以及活性成分易降解、靶标递送效率低等问题限制了其防治效果，并导致施药量增加和环境风险加剧。

纳米农药递送体系因其独特的理化特性而受到广泛关注。金属有机框架材料（MOFs）中的ZIF-8具有高比表面积、丰富孔结构以及良好的化学和热稳定性，并可在酸性环境下释放Zn²⁺发挥抗菌作用，因此被广泛应用于农药递送领域。然而，其表面疏水性较强且易发生水解，限制了实际应用效果。

另一方面，植物免疫诱导剂水杨酸钠能够激活植物自身防御体系，提高作物抗病能力，但单独使用时防治效果有限。目前，将无机抗菌离子与植物免疫诱导剂协同整合于同一纳米递送平台的研究仍较少。因此，该研究构建了一种兼具 Zn²⁺缓释、水杨酸钠免疫激活、界面黏附增强及刺激响应协同递送功能的多功能纳米载体，为绿色高效防控烟草青枯病提供了新的策略。

二、研究创新点

1. PDA驱动的中空金属-酚网络构建及协同防病策略

该研究利用多巴胺（PDA）在ZIF-8表面的自聚合过程构建PDA壳层，同时通过酚羟基与Zn²⁺的配位作用诱导ZIF-8内部刻蚀，实现中空金属-酚网络结构的一步构筑。该策略无需额外模板或刻蚀剂，在改善ZIF-8亲水性和稳定性的同时，形成可用于负载植物免疫诱导剂的中空腔体。基于此，研究进一步将ZIF-8分解释放的Zn²⁺与水杨酸钠（NaSA）协同整合于同一递送平台。其中，Zn²⁺发挥直接抑菌作用，NaSA通过诱导植物系统获得性抗性（SAR）增强植株免疫水平，两者协同作用实现对烟草青枯病的高效防控，并有望降低传统杀菌剂的施用量和抗性风险。

2. pH/温度双响应释放机制

针对烟草青枯病易发生于酸性土壤和高温环境的特点，该纳米载体充分利用ZIF-8在酸性条件下易解离以及PDA对温度变化敏感的特性，构建了pH/温度双响应释放体系。在正常环境条件下，活性组分缓慢释放，有利于降低药剂损失；而在病害发生区域的酸性和高温微环境中，载体结构加速解离，促进Zn²⁺和NaSA快速释放，从而实现病害微环境触发的按需递送，提高药剂利用效率和防治效果。

3. PDA界面修饰增强叶面沉积与抗冲刷性能

PDA表面富含邻苯二酚和胺基等活性基团，可与叶片表面形成较强的界面相互作用，从而显著改善载体在疏水叶面的润湿、铺展和沉积行为。同时，PDA涂层能够增强载体与叶面的结合能力，提高其抗雨水冲刷性能，进而提升药剂在叶面的滞留量和利用率。该界面调控策略简单高效，无需复杂化学修饰，具有良好的制剂化应用潜力。

图1.中空金属-酚网络 NaSA@PDA@ZIF-8 纳米载体的构建、刺激响应释放及协同防病机制示意图

三、研究结果

1.中空纳米载体的制备与表征

如图2所示，首先以2-甲基咪唑和Zn²⁺为原料制备了具有规则菱形十二面体结构的ZIF-8纳米颗粒，随后通过多巴胺自聚合在其表面构筑PDA层，并进一步负载NaSA，获得NaSA@PDA@ZIF-8纳米载体。SEM结果显示，ZIF-8颗粒形貌规整、尺寸均一，而经PDA修饰后颗粒表面由光滑变得粗糙，并出现一定程度的团聚现象，表明PDA成功包覆于ZIF-8表面。TEM图像进一步表明，原始ZIF-8呈致密结构，而PDA@ZIF-8及NaSA@PDA@ZIF-8均形成了明显的中空结构，说明PDA包覆过程中诱导了内部刻蚀和结构重构，为活性成分负载提供了额外空间。HAADF-STEM及EDS元素面分布结果显示，C、N、O和Zn元素均匀分布于整个颗粒中，其中O元素的引入来源于PDA和NaSA，证明PDA包覆及NaSA负载均获得成功。上述结果表明，成功构建了具有中空结构的NaSA@PDA@ZIF-8纳米载体，为Zn²⁺与NaSA的协同递送奠定了结构基础。

图2. NaSA@PDA@ZIF-8纳米载体的形貌与结构表征

采用Box–Behnken响应面法对NaSA@PDA@ZIF-8的制备工艺进行了优化，以多巴胺添加量、反应时间和反应温度为自变量，以载药量（Loading content，LC）为响应值。响应面图和等高线图表明，三种因素均对载药量产生显著影响。其中，多巴胺添加量和反应时间的交互作用对载药量影响较为明显，当多巴胺添加量约为1.0 g、反应时间约为6 h时，载药量达到较高水平；反应温度与反应时间之间同样存在协同作用，适中的反应温度和反应时间有利于提高载药量。随着反应条件偏离最优区域，载药量均呈下降趋势，说明过低或过高的反应条件均不利于NaSA的负载。三维响应面均呈现典型的抛物面形态，表明各因素与载药量之间存在显著的二次效应。通过模型优化获得了最佳制备条件，为后续构建高载药量的NaSA@PDA@ZIF-8纳米载体提供了依据。

图3. NaSA@PDA@ZIF-8载药量与关键工艺参数之间关系的响应面及等高线分析图

为进一步揭示NaSA@PDA@ZIF-8的组成与结构特征，该研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、氮气吸附-脱附测试以及X射线光电子能谱（XPS）等多种表征手段进行了系统分析。结果表明，多巴胺成功包覆于ZIF-8表面，并与释放出的Zn²⁺形成稳定的金属-酚网络结构。同时，水杨酸钠被有效负载于中空载体内部，并保持其化学结构完整。值得注意的是，原有ZIF-8晶体骨架在PDA诱导作用下逐渐转变为无定形配位网络，不仅提高了材料稳定性，也为活性成分提供了更大的储存空间。孔结构分析进一步证实了中空结构的形成，而XPS结果则从元素组成和化学键状态两个层面验证了PDA与Zn²⁺之间的配位作用。多种表征结果相互印证，证明该研究成功构建了兼具高效载药能力和刺激响应特性的中空金属-酚网络纳米载体，为后续实现Zn²⁺与水杨酸钠的协同递送提供了结构基础。

图4. NaSA@PDA@ZIF-8纳米载体的结构表征

2.叶面润湿、黏附及抗冲刷性能

农药在叶片表面的润湿、铺展和滞留能力直接影响其利用效率。该研究通过接触角、黏附功以及动态表面张力等测试系统评估了材料的叶面界面行为。结果表明，未经修饰的ZIF-8在烟草叶片表面表现出较大的接触角，液滴铺展能力较差；而经PDA修饰后，PDA@ZIF-8和NaSA@PDA@ZIF-8的接触角显著降低，并随时间持续下降，表明材料具有更优异的润湿性能。与此同时，两种PDA修饰材料的液滴黏附功明显高于ZIF-8，说明其与叶片表面的相互作用得到增强。叶面沉积实验进一步显示，NaSA@PDA@ZIF-8处理后的液滴尺寸更小、分布更加均匀，并能够有效附着于叶片绒毛和叶脉区域。动态表面张力测试结果也表明，PDA修饰后材料具有更高的界面活性，有利于液滴快速铺展。该研究认为，PDA表面丰富的邻苯二酚和胺基能够增强颗粒与叶片角质层之间的界面作用，从而显著提升叶面润湿性、附着性和抗冲刷能力，为提高农药沉积效率和利用率提供了有效策略。

图5. NaSA@PDA@ZIF-8纳米载体的叶面润湿与沉积性能评价

农药在叶片表面的沉积稳定性直接影响其田间利用效率和持效期。为评估材料的叶面滞留能力，该研究利用高速摄像技术记录了液滴与叶片表面的相互作用过程。结果显示，水和ZIF-8液滴在接触叶片后发生明显回弹和滑移，难以稳定停留；而PDA@ZIF-8和NaSA@PDA@ZIF-8液滴在撞击叶面后能够迅速铺展，并保持较好的附着状态，表现出更强的叶面滞留能力。进一步观察发现，PDA修饰材料形成的液膜能够更充分地覆盖叶片微结构，从而降低液滴流失风险。

为模拟实际环境中的雨水冲刷作用，该研究进一步比较了叶片冲洗前后的表面残留情况。扫描电镜结果表明，未经修饰的ZIF-8在冲洗后残留量明显减少，而PDA@ZIF-8和NaSA@PDA@ZIF-8仍能较好地附着于叶片表面。即使经过水洗处理，叶片褶皱和微观结构区域仍可观察到大量颗粒残留，表明PDA赋予载体优异的抗冲刷性能。

该研究认为，PDA表面丰富的邻苯二酚和胺基能够增强载体与叶片角质层之间的界面相互作用，从而提高药剂在叶片表面的沉积稳定性和环境适应性。优异的叶面滞留与抗冲刷能力有助于减少药剂流失，提高有效利用率，并为后续Zn²⁺和水杨酸钠的持续释放提供保障。

图6. NaSA@PDA@ZIF-8在烟草叶片表面的沉积与抗冲刷性能评价

3.pH/温度响应释放行为

为验证载体对病害微环境的响应能力，该研究系统考察了NaSA@PDA@ZIF-8在不同温度和pH条件下的释放行为。结果表明，无论是NaSA还是Zn²⁺，其释放速率均表现出明显的温度和pH依赖性。在温度响应实验中，随着温度由15 ℃升高至35 ℃，两种活性组分的累积释放量持续增加，表明较高温度有利于载体结构松弛和活性成分扩散，从而加速释放过程。

在pH响应实验中，酸性条件下的释放速率明显高于中性和碱性条件。特别是在pH = 5环境中，NaSA和Zn²⁺均表现出最快的释放行为，而随着pH升高至7和9，释放速率逐渐降低。该现象主要归因于ZIF-8骨架在酸性环境下更容易发生解离，从而促进Zn²⁺释放，并加速包载于中空结构中的NaSA扩散释放。

烟草青枯病通常发生于偏酸性土壤环境，并且高温条件有利于病原菌侵染和扩散。因此，该研究构建的NaSA@PDA@ZIF-8能够根据病害发生时的环境特征自动调节释放行为，在正常环境下保持较低释放速率以减少药剂损失，而在病原菌活跃的酸性和高温条件下快速释放Zn²⁺和NaSA，实现病害微环境触发的精准递送和高效防控。

图7. NaSA@PDA@ZIF-8的温度和pH响应释放行为

4.体外抗菌与盆栽防治效果

为评估材料对烟草青枯病菌的防控能力，该研究系统考察了NaSA@PDA@ZIF-8的抗菌活性及其作用机制。结果表明，随着处理浓度增加，三种材料对青枯病菌的抑制作用均逐渐增强，其中NaSA@PDA@ZIF-8始终表现出最高的抑菌活性。在100 mg/L条件下，NaSA@PDA@ZIF-8的抑菌率接近100%，明显优于ZIF-8和PDA@ZIF-8处理。菌落生长实验进一步证实，NaSA@PDA@ZIF-8能够显著抑制青枯病菌增殖，而细菌生长曲线也显示其对病原菌具有更强的持续抑制作用。

为揭示其抗菌机制，该研究检测了细菌胞内活性氧（ROS）水平及细胞形态变化。结果发现，NaSA@PDA@ZIF-8处理后细菌内ROS含量显著升高，表明材料能够诱导氧化应激反应。扫描电镜观察显示，对照组细菌保持完整的杆状形态，而经ZIF-8处理后细胞表面出现收缩和破损；进一步经过NaSA@PDA@ZIF-8处理后，细胞结构损伤更加严重，部分细胞甚至发生塌陷和破裂。该研究认为，PDA- Zn²⁺体系诱导产生的ROS以及释放的Zn²⁺共同作用于细菌细胞，导致细胞膜受损和生理代谢失衡，从而实现对青枯病菌的高效杀灭。

图8. NaSA@PDA@ZIF-8对烟草青枯病菌的抗菌活性及作用机制

在验证材料直接抑菌活性的基础上，该研究进一步评估了NaSA@PDA@ZIF-8对植物抗病性的诱导作用及其对烟草青枯病的防控效果。结果显示，青枯病菌侵染后，植株体内丙二醛（MDA）含量显著升高，表明病原菌导致细胞膜脂质过氧化加剧。而经过PDA@ZIF-8和NaSA@PDA@ZIF-8处理后，MDA含量明显下降，说明材料能够有效缓解病原菌造成的氧化损伤。与此同时，多种与植物防御反应密切相关的酶活性均得到增强。其中，NaSA@PDA@ZIF-8处理组的POD、SOD和PAL活性提升最为显著，表明其能够有效激活植物体内的抗氧化防御体系和抗病信号通路。

盆栽防病实验进一步验证了该材料的实际应用效果。在病原菌接种后的培养过程中，未处理植株逐渐出现叶片萎蔫、失绿和整株枯死等典型青枯病症状；而经过NaSA@PDA@ZIF-8处理的植株始终保持较好的生长状态，叶片绿色健康，病害症状明显减轻。相比之下，单独使用PDA@ZIF-8虽然能够在一定程度上延缓病害发展，但整体防治效果仍低于NaSA@PDA@ZIF-8处理组。

该研究认为，NaSA@PDA@ZIF-8能够同时发挥Zn²⁺直接抑菌和水杨酸钠诱导系统获得性抗性（SAR）的双重作用。一方面，通过抑制病原菌增殖降低侵染压力；另一方面，通过激活植物自身免疫系统增强抗病能力，从而实现病原菌防控与宿主抗性提升的协同增效。

图9. NaSA@PDA@ZIF-8诱导植物抗病性及烟草青枯病防控效果评价

5.生物安全性

为评估该纳米载体的生物安全性，该研究分别开展了蚯蚓毒性、烟草种子萌发以及人源L02肝细胞毒性评价。结果表明，在62.5–1000 mg/L浓度范围内，NaSA@PDA@ZIF-8处理组蚯蚓存活率始终保持在较高水平，与ZIF-8相比未表现出明显毒性增强效应。烟草种子萌发实验显示，即使在1000 mg/L浓度下，种子发芽率仍维持在96%左右，与对照组无显著差异，说明材料对植物生长安全友好。细胞毒性实验进一步表明，在25–100 mg/L浓度范围内，无论处理24 h还是48 h，L02细胞存活率均保持在90%以上。流式细胞术分析结果显示，NaSA@PDA@ZIF-8处理后细胞凋亡率仅为2.11%，明显低于ZIF-8处理组，表明PDA修饰能够有效降低材料对哺乳动物细胞的潜在损伤。与此同时，土壤微生物16S rRNA测序结果显示，PDA@ZIF-8和NaSA@PDA@ZIF-8处理后的微生物群落结构与对照组更为接近，而原始ZIF-8处理组出现较高比例的特有扩增子序列变异（ASV，占22.7%），说明PDA界面修饰有效缓解了材料对土壤生态系统的扰动。综合来看，该研究构建的NaSA@PDA@ZIF-8在发挥优异防病活性的同时，兼具良好的植物安全性、细胞安全性和生态安全性，展现出较好的农业应用潜力。

图10. 不同处理材料对蚯蚓存活率、烟草种子发芽率、细胞活力及细胞凋亡水平的影响

四、结论与展望

该研究构建了一种PDA诱导的中空金属-酚网络纳米载体PDA@ZIF-8，实现了Zn²⁺与水杨酸钠的pH/温度双响应协同递送。PDA壳层不仅驱动形成中空结构并提供载药空间，还显著改善了载体的叶面润湿性、黏附性和抗冲刷能力。在病害相关的酸性、高温微环境中，Zn²⁺与水杨酸钠能够加速释放，其中Zn²⁺发挥直接抑菌作用，而水杨酸钠则诱导植物系统获得性抗性，从而实现病原菌抑制与宿主免疫激活的协同增效。得益于这一双重作用机制，该纳米载体显著提升了烟草青枯病的防控效果。同时，该体系对非靶标生物、哺乳动物细胞及土壤微生物群落均表现出良好的生物安全性和环境相容性。该研究为集病原菌防控与植物免疫调控于一体的智能纳米农药设计提供了新的思路。未来可进一步拓展其在其他土传病害防控中的应用，并结合田间试验和制剂化研究，推动其向实际农业应用转化。

文章出处：

Ze Lv, Yu Fang, Yang Gao, Hongwei Li, Pengkun Yan, Zheng Zhang, Lei Wang, Fengyu Li, Yingjian Ma , Rui Zhao, Xinyu Guo, Xuemin Wu, Yong Xu, Advanced Composites and Hybrid Materials, 2026.

原文链接：

https://doi.org/10.1007/s42114-026-01790-y

图文|聂东旭

一审|刘妍妍

二审|李凤瑞

三审|高爽

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