植保前沿：巧妙利用植物病毒保护农作物免受寄生害虫危害

2017年，全球人口大约达到75亿，全人类面临的一个主要挑战是提高粮食产量，确保粮食安全。通过应用新一代的植保产品来尽可能获得高产显得尤为重要。为了实现这一目标，美国凯斯西储大学教授Nicole Steinmetz和生物医学工程博士Paul Chariou共同开发了一种纳米载药技术，用来治疗被线虫感染的农作物。

 

土壤中生活着许多种类的线虫，其中也包括有益线虫，它们能够寄生于昆虫、细菌、真菌，并且帮助分解有机物成堆肥。而有害线虫则是农户和园艺从业者最头疼的问题之一，它们可以侵染农作物和家畜。其中，植物寄生线虫，例如根结线虫（Meloidogyne spp）能够侵染3000余种作物，包括玉米、马铃薯、番茄、生菜和多种果树。这些“隐形杀手”用口针刺穿并寄生在植物根部，阻碍水分和营养物质的运输，而且会使根部表皮加速龟裂，造成病原菌入侵。全球每年由于线虫造成的损失达到惊人的1570亿美元。

 

农民们利用轮作来控制线虫的感染，但由于存在大量的宿主物种，几乎没有取得任何成效。尽管转基因抗线虫作物已经开发出来，但价格高昂，市场化也需要数年。目前，最行之有效且经济的办法是使用杀线剂，但也存在一些问题。为了根除线虫，杀线剂首先要到达根部线虫周围，还需要较长的持效期，并且累积到足够的致死量。然而，杀线剂分子很难到达深层土壤，而是被土壤颗粒吸附聚集在土壤表层。实际上，90%施用的农药并未到达靶标，而是在环境中降解。因此，在田间延长杀线剂的持留时间增加了作物、土壤和地下水化学污染的风险，并最终增加了人类接触这些有毒物质的风险。

 

为了从根本上解决这一问题，Chariou和Steinmetz采取了一种纳米技术的方法用于新一代的杀线剂。
 

纳米技术已经应用于农药行业有20多年了，它可以使有效成分受控制地定向释放。与普通农药相比，用纳米材料作为农药的载体可以帮助其深入土壤，从而有效地杀灭目标害虫。被纳米材料封装的农药可以避免农民接触有毒物质，减少在土壤中的降解。但一些研究小组对某些合成的纳米材料进行了研究，发现使用聚合物或磷脂物质可能会造成他们在环境中的长时间污染和积聚。而Chariou和Steinmetz对纳米技术的变革来自于由植物病毒衍生的纳米粒子的应用。

 

利用植物病毒来治疗线虫听起来天方夜谭。然而，当从材料科学和纳米技术的角度看一种植物病毒时，这些材料比人工合成物多了一些优点。从制造的角度来看，可以在几天到几周内大批量生产植物病毒纳米颗粒（100克的叶中有500毫克的病毒），并且成本很低（100毫克病毒成本2美金）。与合成的纳米颗粒不同的是，病毒纳米颗粒是通过廉价介质(土壤和种子)产生的，不需要使用昂贵的培养基或潜在的有毒溶剂。从人类健康的角度来看，这种病毒无法感染人类，因此提供了一层额外的保护。从环境的角度来看，植物病毒无处不在，许多植物病毒都是土壤传播的。有些病毒会引起植物疾病，另一些则有极少的宿主范围，不会对农作物造成危害。事实上，一种基于植物病毒的产品已经在田间使用了，SolviNix LC是一种由BioProdex公司制成的除草剂，其有效成分是一种烟草病毒 (TMGMV)。这个产品已获得美国环保署批准，在佛罗里达州用来控制热带刺茄。

 

在此基础上，Steinmetz实验室转向了TMGMV的开发，作为一个纳米技术平台，将杀线剂传导到被线虫感染的植物根部。TMGMV是一种土传植物病毒，具有在土壤中移动的特性。这个想法的目的是利用TMGMV粒子作为一种杀线剂的载体来增强在土壤中的稳定性和移动性。因此，在减少田间使用剂量的同时，可以更有效的治疗受线虫侵染的作物。最终的目标是保护环境和公众免受农药的毒害。

 

TMGMV粒子形成了一个中空的纳米管结构，就像一张纸巾卷起来一样，但要小100万倍。更准确地讲，TMGMV形成了一个中空的纳米管，其尺寸为300x18纳米，中空的通道宽约4纳米。Chariou和Steinmetz的研究表明，杀线剂可以被装载到这个中空通道，从而重新将TMGMV作为一个载体，每粒微粒可携带多达1500个单位的药物。在液体培养液中，TMGMV杀线剂能保持稳定并有效地固定和杀死线虫。最重要的是，与常规杀线剂相比，TMGMV杀线剂剂型表现出了更大的土壤流动性，这就可以使杀线剂到达线虫生存的根际深度。

 

 

 

这项研究发表在顶级的纳米技术杂志ACS Nano上 (Chariou P.L., Steinmetz N.F. (2017) Delivery of Pesticides to Plant Parasitic Nematodes Using Tobacco Mild Green Mosaic Virus as a Nanocarrier. ACS Nano 11, 4719-4730)。在后续的研究中，该小组将进一步研究对比装载各种市售杀线剂的TMGMV与常规杀线剂的土壤流动活性。这些复杂的研究未来将揭示出，如何根据土壤的质地，土壤结构（黏土、沙土和淤泥）、酸度和根部深度，确定对应作物应用哪种剂量。该小组迫切希望将这一创新作物处理技术从实验室转化为实地应用。