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近日，中國農(nóng)大植物保護學院沈杰教授團隊的呋蟲胺納米制劑研究成果引起農(nóng)藥界及社會廣泛關注。農(nóng)藥在保障我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全和國家糧食安全方面發(fā)揮著舉足輕重的作用，但其不科學的施用也給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化推進，乃至人類健康帶來了許多負面影響。我國農(nóng)業(yè)生態(tài)健康、鄉(xiāng)村振興和“藥肥雙減”等國家戰(zhàn)略迫切需求綠色農(nóng)藥創(chuàng)制和農(nóng)藥納米化新技術。

圖1 團隊研究人員組成

沈杰教授團隊長期致力于納米材料在病蟲害綠色防控領域的應用（圖1），借助新型功能化納米材料，建立了簡便的昆蟲基因干擾新技術平臺，通過點滴法即可遞送dsRNA快速穿透昆蟲體壁，高效穩(wěn)定干擾基因表達；利用基因編輯、同源重組等技術構建了大腸桿菌新菌株和新質(zhì)粒，該表達體系大幅提升了RNA的產(chǎn)率，達6倍以上；將工程菌表達的RNA與納米載體混配組裝，田間噴霧實驗表明，其對蚜蟲等害蟲防效初步滿足生物防治需求。

同時，納米載體可以實現(xiàn)納米級藥物裝載，增強水溶性，實現(xiàn)納米化，增強農(nóng)藥的植物內(nèi)吸性及害蟲體壁的滲透能力，降低農(nóng)藥殘留水平，具有提升殺蟲效率、降低農(nóng)藥施用量的作用。

圖2 獲獎證書

該團隊的系列納米載體榮獲2021年度中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會科技進步獎一等獎（圖2）。

RNA農(nóng)藥被譽為農(nóng)藥第三次革命，是國際上的研發(fā)和市場競爭熱點，中國農(nóng)大植物保護學院沈杰教授團隊經(jīng)過10余年的不懈努力，系統(tǒng)闡明了納米載體提升外源植保因子生物學活性的細胞生物學機理，成功研發(fā)了可噴灑型RNA農(nóng)藥與農(nóng)藥納米化增效減施技術體系，二者的田間推廣應用和產(chǎn)業(yè)化將大力推動我國擁有完全自主知識產(chǎn)權的病蟲害綠色防控新技術和產(chǎn)品的發(fā)展，預期目標是實現(xiàn)RNA農(nóng)藥的產(chǎn)業(yè)化、大幅提升傳統(tǒng)化學農(nóng)藥的效率、降低農(nóng)藥殘留、治理抗藥性，確保農(nóng)產(chǎn)品安全生產(chǎn)。

沈杰教授團隊建立了簡便的昆蟲基因干擾新技術平臺：點滴法/噴霧法應用dsRNA+納米載體溶液，突破昆蟲體壁屏障，穩(wěn)定高效干擾基因表達。

RNA干擾技術被廣泛應用于昆蟲基因的功能解析，為闡明昆蟲復雜生命活動提供了一種實用的分析手段。但昆蟲的免疫系統(tǒng)會阻止外源dsRNA進入自身細胞并將其降解，有些昆蟲的腸道和血淋巴中存在較強的RNA降解酶，導致外源dsRNA的快速降解，從一定程度上降低了基因干擾效率。一些重要的鱗翅目和半翅目農(nóng)業(yè)害蟲的RNAi效率低、穩(wěn)定性差，嚴重制約了關鍵基因的功能解析。為了突破鱗翅目、半翅目等昆蟲RNAi的技術瓶頸，團隊建立了一種以納米材料為載體的核酸遞送平臺，合成了周圍攜帶正電荷樹枝狀大分子星聚物，作為一種陽離子熒光聚合物，熒光納米載體可以通過靜電作用結合負電性的核酸分子，形成穩(wěn)定的復合體。該團隊于2019年利用該熒光型納米載體首次建立了一種新型的蚜蟲dsRNA體壁遞送系統(tǒng)（圖3）。通過簡便的背板點滴法，納米載體可以高效穿透大豆蚜體壁，進入胚胎、脂肪體等組織細胞，靶標基因的干擾效率最高達95.4%，有效壓低了蟲口密度。

圖3 納米載體介導的dsRNA體壁遞送系統(tǒng)示意圖

這項研究國際首創(chuàng)了一種dsRNA害蟲體壁納米遞送系統(tǒng)，突破了dsRNA的遞送瓶頸，大幅提升了dsRNA的遞送效率和RNAi效率。

考慮到田間實際應用，該團隊對熒光型納米載體進行了優(yōu)化改造，成功合成了一種廉價、環(huán)保的農(nóng)田應用型納米載體。該載體可高效保護dsRNA免受核酸酶、昆蟲血淋巴、中腸液的降解，通過激活網(wǎng)格蛋白介導的胞吞作用，實現(xiàn)了dsRNA的高效遞送，起到了良好的基因干擾和致死效果（圖4）。

圖4 納米載體介導的RNAi增效機理

在解決了dsRNA的遞送難題之后，dsRNA高額的合成成本限制了其在害蟲防控中的實際應用。針對這一問題，該團隊建立了一種新型工程菌表達體系，利用基因編輯、同源重組等技術對工程菌BL21(DE3)實施rnc基因的無痕敲除，使其無法表達RNase III酶，再通過構建帶有單T7啟動子的RNAi干擾載體來實現(xiàn)RNA的高效表達（圖5）。新型工程菌表達體系的RNA產(chǎn)量約是L4440-HT115(DE3)工程菌表達體系的6倍。

該研究所建立的工程菌表達體系在低成本的基礎上實現(xiàn)了RNA的大批量生產(chǎn)，打破了L4440-HT115(DE3)這一國外研發(fā)的RNA表達體系的壟斷地位。

近期，該團隊將桃蚜兩個生長發(fā)育關鍵基因構建在同一個表達載體上，實現(xiàn)了雙靶標基因RNA的批量生產(chǎn)，借助納米載體制備的RNA農(nóng)藥具有良好的植物內(nèi)吸性能，田間噴霧實驗對靶標害蟲綜合防效在60%以上，且對植物及非靶標昆蟲安全，使得RNA制劑的田間應用成為了可能。

圖5 工程菌高效合成hpRNA技術的建立

沈杰教授團隊建立了一種以納米載體為助劑的新型農(nóng)藥納米化增效減施技術。

近年來，我國農(nóng)藥施用量零增長行動穩(wěn)步推進，農(nóng)藥利用率逐步提高，但與農(nóng)業(yè)發(fā)達國家相比，我國單位面積化學農(nóng)藥用量比世界平均用量高2倍以上，農(nóng)藥利用率比歐美發(fā)達國家低10至20個百分點。

如何進一步提升農(nóng)藥利用率、降低化學農(nóng)藥施用量成為了我國植保工作者的共同課題。該團隊研發(fā)了一系列藥劑型納米載體，通過分子間互作，實現(xiàn)納米級藥物裝載，納米載體可以通過分子間范德華力、氫鍵或靜電作用結合農(nóng)藥團粒，減小其在水溶液中的粒徑，增強其植物內(nèi)吸作用，提升農(nóng)藥對病蟲害的防控效果。

如農(nóng)田應用型納米載體與蛇床子素可以通過靜電和疏水作用實現(xiàn)納米級裝載，二者的結合打破了蛇床子素自身的團粒結構，將其粒徑減小至17.66 nm，提升了蛇床子素對二斑葉螨、桃蚜、草莓白粉病的防效（圖6）。

圖6 納米化蛇床子素病蟲兼防示意圖

為進一步驗證農(nóng)田應用型納米載體能否作為一種通用的農(nóng)藥助劑，該團隊利用納米載體結合化學農(nóng)藥噻蟲嗪，納米載體可以通過靜電作用自發(fā)與噻蟲嗪團粒結合，將噻蟲嗪團粒粒徑從576 nm降至116 nm，噻蟲嗪納米制劑的植物內(nèi)吸作用增強了1.69-1.84倍，對桃蚜的觸殺和胃毒作用均顯著提升20%左右。

同時，納米載體可以減小植物誘抗劑殼聚糖粒徑至17.4 nm，復合體具有良好的穩(wěn)定性，通過增強植物細胞內(nèi)吞作用，進而放大植物抗性反應，顯著提升對田間馬鈴薯晚疫病的防效；納米載體還可以大幅提升植物源殺菌劑丁子香酚對田間馬鈴薯晚疫病的防效（圖7）。

該藥劑型納米載體成本低廉、環(huán)境安全，可以作為一種通用的農(nóng)藥助劑，具有良好的田間應用前景。

圖7 納米載體實現(xiàn)殼聚糖納米化并放大植物防御反應

為田間大規(guī)模應用做準備，該團隊系統(tǒng)評估了納米載體對天敵異色瓢蟲的生物毒性，結果表明，納米載體觸殺和胃毒急性毒力的LC50分別為43.96和19.85 mg/mL，胃毒作用的LC50是納米載體田間工作濃度的9925倍，表明納米載體相對安全。在極高濃度下，納米載體的使用主要擾亂了昆蟲細胞膜上基因的表達，導致細胞膜穿孔，細胞破碎，細胞液外流，引起細菌性感染，最終導致昆蟲的死亡。

藥劑納米化增效減施技術的應用可以減少化學/植物源藥劑的施用，進而降低對天敵的殺傷，在釋放異色瓢蟲卵卡的同時噴施納米化化學/植物源藥劑，既保證天敵的安全性，又解決天敵防控的滯后性問題，兼顧速效性和持效性，具有良好的害蟲防控效果。

參考資料：http://news.cau.edu.cn/art/2022/1/24/art_8769_809991.html