纳米技术在核酸农药创制领域的研究与应用

摘自：《昆虫学报》2025-01

作者：薛洋，关梅，赵佳佳，闫硕，沈杰

近年来，纳米技术在农业害虫绿色防控领域显示出巨大的应用潜力。在新农药创制领域，纳米载体不仅可以直接作为杀虫活性成分，提高杀虫效果，还可以作为农药助剂，增强农药的叶面附着力和内吸活性，延长作用周期，用于新型RNA农药和纳米农药的研发。

基于纳米技术的核酸递送机制

基于纳米载体递送dsRNA主要包括4个步骤：核酸农药的负载、细胞摄取、内体逃逸和核酸农药的释放。首先，负电性的核酸分子可与带正电的纳米材料通过静电作用完成负载，形成稳定的dsRNA-纳米材料复合体。如壳聚糖分子在生物微酸环境中带有正电荷，树状阳离子聚合物表面带有正电胺类官能团，通过静电作用均可与核酸分子实现自发性结合。随后，核酸农药在细胞摄取后内化形成内吞囊泡，若其不能从内体及时逃逸，则会与内体一起进入溶酶体降解。目前研究表明，大多数RNA纳米递送系统内体逃逸的重要机制为″质子海绵效应″。此外，阳离子脂质纳米颗粒还具备特异的内含体逃逸机制，可与内含体表面的磷脂分子相结合，以此打破内含体稳定，完成内含体逃逸。最后，dsRNA/siRNA（small interfering RNA, siRNA）需要从纳米载体中释放出来才能激活RNAi途径，抑制靶标生物特异mRNA的表达。目前，有两种dsRNA/siRNA释放机制：第1种是生物体内聚阴离子可以通过竞争结合，导致dsRNA/siRNA的解离，释放到细胞质中；第2种是纳米材料响应细胞内刺激而造成的核酸农药纳米递送系统结构崩解，进而释放dsRNA/siRNA。

纳米技术在核酸农药靶点筛选研究中的应用

研究昆虫基因功能对探索有效的害虫防控策略至关重要，深入了解害虫基因的功能和作用机制有助于挖掘核酸农药的高效靶点。如Long等利用星型阳离子聚合物（star polycation, SPc)递送靶向德国小蠊Blattella germanica几丁质合成酶基因（chitinsynthase,CHS）的dsRNA，揭示了该基因在德国小蠊生长发育中的功能；王改霞等采用壳聚糖（chitosan）纳米载体递送dsRNA，结合饲喂和显微注射两种方法，探究了锈赤扁谷盗Cryptolestes ferrugineus发育中酪氨酸羟化酶（tyrosine hydroxylase，TH）和漆酶基因（laccase，LAC）的功能；Zhang等采用SPc递送的靶向桃蚜M. persicae翅发育基因vestial和Ultrabithorax的dsRNA，揭示了二者在桃蚜翅发育中的基因功能。这些研究为核酸农药创制提供了丰富多样的高效特异性靶点。

纳米技术在杀虫剂研发中的应用

近年来，纳米技术在核酸递送和核酸农药靶点筛选领域的深入研究促进了RNA杀虫剂的研发。壳聚糖作为首个应用与昆虫RNAi的纳米递送载体，在杀虫剂研发领域显示出了潜在优势。如Zhang等人使用壳聚糖纳米载体递送靶向冈比亚按蚊Anopheles gambiae几丁质酶基因CHS的dsRNA，使得CHS基因干扰效率降低了62.8%。Keppanan等借助可生物降解的壳聚糖纳米颗粒水凝胶，实现了烟粉虱B. tabaci靶标基因的高效干扰，导致超过80%的烟粉虱死亡。利用脂质体（Liposome）携带微管蛋白基因（α-tubulin，tub）的 dsRNA用于德国小蠊B. germanica的防控，较单独使用dsRNA而言，饲喂16 d后死亡率增加60%。SPc作为外源dsRNA的递送载体，可提升多种害虫的RNAi效率，实现害虫的高效防控。利用SPc递送靶向白背飞虱Sogatella furcifera生长发育的4个基因dsRNA，结果表明，经纳米复合物处理后，飞虱翅受损率和死亡率显著增加。利用SPc递送靶向亚洲玉米螟Ostrinia furnacalis的neuropeptide Freceptor（NPFR）和AMP-activated protein kinase（AMPK）的dsRNA，显著抑制了幼虫的进食和生长发育，田间防效高达84%。

纳米杀虫剂的研发与应用

（1）化学杀虫剂 

相较于传统化学农药而言，纳米农药具有尺寸小、缓控释、植物内吸作用强、杀虫活性高等优势，是农药创制领域的研究热点之一 。

多种类型的纳米材料作为农药助剂在提高农药递送效率和杀虫活性领域展现出巨大潜力。如硒化铜修饰的氧化石墨烯纳米材料可高效装载农药，并作为储存库保留在叶片中，从而通过减少漂移损失和定向释放，使得菜青虫Pieris rapae幼虫死亡率提高35%以上。基于前人研究，利用氧化石墨烯碳基纳米材料负载杀虫双、吡虫啉和β-氟氯氰菊酯等杀虫剂，较使用单一杀虫剂来说，亚洲玉米螟O. furnacalis的死亡率显著提升。以多孔纳米载体和SiO₂为原料负载氯虫苯甲酰胺，制备的碱响应纳米农药可提高孔隙率和表面积，光稳定性提高16.5倍，小菜蛾Plutella xylostella死亡率从36.7%提升至86%。类似的，以层状双氢氧化物纳米片为原料，借助呋虫胺超分子键合作用制备的纳米农药可有效提高叶面附着力，对棉蚜Aphis gossypii的防效达90.1%，对白粉虱Trialeurodes vaporariorum和烟粉虱B. tabaci的防效在14 d后仍大于80%。二氧化硅、纳米银等纳米材料也可作为杀虫活性成分，用于控制害虫的生长和繁殖，在新型纳米农药研发中发挥着重要作用。如利用二氧化硅纳米颗粒可以防治Spodoptera littoralis、豆蚜Aphis craccivora和三叶斑潜蝇Liriomyza trifolii3种不同类型的害虫，且3种害虫的死亡率对二氧化硅纳米颗粒浓度（75∼425 mg/L）呈现剂量依赖性。以海滨碱蓬Suaeda maritima叶提取物与AgNO₃孵育制备的纳米银能够对斜纹夜蛾S. litura的幼虫和蛹表现出毒杀作用，对不同生长发育状态斜纹夜蛾的致死中浓度 (median lethal concentration, LC₅₀)在20.937∼46.896 mg/L间。

（2）生物源杀虫剂 

纳米材料也可作为生物农药类杀虫剂的助剂，提升其递送效率和生物学活性。

以苏云金芽孢杆菌Bacillus thuringiensis（Bt）为代表的昆虫病原微生物，与纳米载体混配后，显著增强了对害虫的毒性。Zheng等利用蛋白型纳米载体P2结合Bt蛋白，显著提升了其对小地老虎Agrotis ypsilon的毒性。在最近的研究中，Wang ZY等设计了一种基于dsRNA纳米颗粒和Bt菌株的混合制剂，显著提高了对二化螟Chilo suppressalis的防治效果，在3 d内二化螟的死亡率达到80%。此外，纳米材料对病毒类生物农药也具有协同增效的作用，能够提高核型多角体病毒（nuclear polyhedrosis virus, NPV）的递送效率和生物活性。例如，纳米沸石（zeolite nanoparticles, ZNPs）作为生防病毒的递送载体，可以加速细胞膜的破坏，使病毒能够轻松进入细胞，在增强病毒感染方面展现出了良好的应用潜力。分别利用纳米沸石作为递送载体，可显著增强甘蓝薄翅螟Crocidolomia pavonana和斜纹夜蛾S. litura的病毒感染效果，缩短了致死时间，提高了死亡率。此外，Zheng等采用基因型纳米载体P2，递送棉铃虫H. armigera核型多角体病毒NPV的 DNA，能够有效杀死非寄主害虫小地老虎A. ypsilon和飞蝗Locusta migratoria。

（3）多元纳米杀虫剂 

多元纳米杀虫剂指利用纳米载体同时装载递送不同性质的杀虫活性成分，与传统的纳米农药相比，可以克服药剂本身的缺陷，提高害虫的防治效果。如Li等首次利用SPc同时递送免疫基因hemocytin（hem）的dsRNA和植物源农药苦参碱，制备了一种防治桃蚜M. persicae的多元纳米农药，在田间的综合防效可达90%以上。在另一项研究中，Lv等采用具有粗糙表面的介孔二氧化硅构建了基因和杀虫剂的递送系统，用于共同递送靶向棉蚜A. gossypii的CYP6CY13基因的dsRNA和杀虫剂吡虫啉，提高了对棉蚜的防治效果，并显著降低了吡虫啉对环境的负面影响。Yan等通过SPc纳米递送系统建立了一个可同时装载递送dsNrf2和杀虫剂的纳米自主装平台，纳米载体可通过核心装载不同药剂，同时利用外周官能团结合核酸分子，制备的多元纳米杀虫剂可提升草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda对杀虫剂的广谱敏感性，对氯虫苯甲酰胺的增效比为5.43-6.25，对甲维盐的增效比为4.45∼15.00。由此可见，多元纳米农药作为一种新型的害虫防控技术，有望为推动现代农业发展提供新的思路和启示。