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【文献分享】|中国农业大学:纳米除草剂对抗入侵杂草的多层次协同作用机制

2026-07-01 09:52:35

CytoViva是由美国Auburn大学与Aetos技术有限公司合作成立，具有高校和军事公司背景，CytoViva纳米高光谱成像技术最初是由美国国防部和美国宇航局空间卫星航空成像开发的技术发展而来，该公司创造性的将该技术与增强型暗场技术结合并应用于微观层面，使其成为一个专有、集成的系统，能够在纳米尺度上对材料、药物、生命单元、活性大分子、环境污染物等进行高光谱成像及定性定位定量分析。

Multilevel synergistic mechanisms of a nanocarrier-enabled topramezone herbicide against invasive weeds

DOI:10.1186/s12951-026-04472-5

摘要：

近日，中国农业大学沈杰/闫硕教授团队在国际著名期刊《Journal of Nanobiotechnology》在线发表了题为“Multilevel synergistic mechanisms of ananocarrier-enabled topramezone herbicide against invasive weeds”的研究论文。该研究构建了一种基于两亲性嵌段聚合物（HLDP）的新型苯唑草酮（TOP）纳米递送系统，并从分子组装、生物活性到代谢调控等多维度阐明了其协同增效机制，为入侵杂草的绿色防控提供了新的理论依据。

文章概览

入侵性杂草的快速蔓延已成为日益严峻的“重大威胁”，而传统除草剂利用效率低且易在环境中扩散，给农业生产带来持续挑战。为此，我们开发了一种两亲性亲水-亲脂二嵌段聚合物（HLDP），成功制备出具有优异除草性能、对入侵杂草假苍耳（Cyclachaena xanthiifolia）效果显著且生态风险较低的纳米载药型托普拉菌素（TOP）。该 HLDP 对TOP的负载量高达46.22%，其动态自组装过程通过疏水作用和氢键作用自发实现，这一结论已通过等温滴定量热法、分子对接/动力学模拟及傅里叶变换红外光谱等方法验证。 HLDP 包封使TOP粒径降至102 nm，形成ζ电位为30.13 mV的稳定球形颗粒，并通过构建混合纳米结构显著提升了TOP的热稳定性。与游离态TOP相比，TOP@ HLDP 表现出更优的叶片吸收特性（接触角降低1.4倍）、更强的喷雾持留能力（提升2.3倍）、更高的系统吸收率（提高2倍）以及改变的土壤迁移行为。值得注意的是，实验室和田间试验均表明，与游离制剂及市售产品相比，TOP@ HLDP 的除草活性显著增强，能更有效地抑制杂草生长并降低叶绿素和氮含量。整合的转录组学与代谢组学分析表明，与 HLDP 的复合物进一步加剧了氧化应激和激素胁迫：表现为光合电子传递受抑制、NADPH生成受损、碳分配途径改变以及茉莉酸生物合成增强，这些现象与入侵杂草的生理反应一致。此外，生物安全性评估证实TOP@ HLDP 对非靶标生物（包括果蝇、S2细胞和玉米种子）具有优异的生物相容性。总体而言，本研究系统阐明了基于 HLDP 的递送系统从动态自组装到多组学层面运作的多重协同机制，为设计开发兼具高生物活性且对入侵杂草具有良好生物相容性的纳米除草剂提供了可靠策略。

在本研究中，无标记纳米高光谱显微成像系统（HSI）在组织学水平上，可视化并证实TOP@HLDP纳米除草剂在入侵杂草（C. xanthiifolia）茎部组织吸收和转运的原位成像。

简单来说，就是通过这项技术，直观地“看到”了纳米农药是否真的进入了植物内部。

具体方法：如何实现观察？

样品处理与观察：研究人员先用TOP或TOP@HLDP（质量比为1:1.16；TOP浓度：60 mg/L）处理杂草幼苗，2天后取其茎部摘取茎部并将其切割成小片段（约1–2 mm³），制成5微米厚的切片。使用CytoViva系统的增强暗场（Enhanced Darkfield）模式进行观察。这种模式能清晰呈现样品细节，且无需荧光标记。

核心原理：系统对样品进行高光谱显微成像。与普通照片不同，它记录的图像中每一个像素都包含了该点在400-1000nm波长范围内的连续光谱信息。不同物质（如植物组织与纳米粒）有其独特的光谱“指纹”。

核心发现：证明了什么？

为评估TOP及TOP@ HLDP 在植物中的原位分布，研究人员采集了增强型暗场高光谱图像及相应的伪彩色叠加图，以比较两种制剂的空间分布模式。与单独使用TOP处理的茎段相比，经TOP@ HLDP 处理的茎段显示出更广泛且更连续的信号点分布。在TOP处理的茎段中，信号相对稀疏且局限；而经TOP@ HLDP 处理的茎段则在整个茎组织中呈现分布更广泛的信号簇。

Fig. 3TOP及TOP@ HLDP 的植物吸收行为与土壤迁移性。(A)TOP和TOP@ HLDP（60 mg/L）在假苍耳叶片表面的接触角。每种配方均测试十次。各柱上方的不同字母表示通过单因素方差分析结合Tukey HSD 检验得出P<0.05时存在显著差异。(B)TOP和TOP@ HLDP 在假苍耳叶片表面的滞留情况。每个处理重复八次。(C)假苍耳对TOP@ HLDP 的吸收情况。每个处理重复三次。(D)经TOP和TOP@ HLDP 处理的植物茎部组织代表性高光谱图像。(E)TOP和TOP@ HLDP 处理后土壤中的残留TOP含量。每个处理重复三次。