三种天然产物杀菌剂递送体系的构建及其抑制灰霉菌活性的研究

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灰葡萄孢(Botrytis cinerea),又称为灰霉菌,是一种可随空气传播的植物病原菌,可侵染全球200多种农作物宿主,诱发作物产生灰霉病,主要表现为作物植株的猝倒、落叶、花腐,以及作物果实的变软腐烂。灰霉菌作为一种非常常见且较难防控的植物真菌病害,其对作物的侵染可发生在苗期至成熟期的整个生长阶段,对农业生产造成严重危害的同时带来巨大的经济损失。目前,由于没有对抗灰霉菌的特效药物,化学合成杀菌剂依然是防控灰霉菌的主要手段。然而,不合理和过度的使用化学合成杀菌剂会促进真菌病原菌耐药性的产生,同时也会引发一系列的环境和人类健康问题。因此,有必要采取一种可持续的策略来防控灰霉菌,最大限度地减少杀菌剂对作物、生态环境和人类健康的不利影响。近年来,随着纳米科技的不断发展,设计和制备具有控制药物释放能力的纳米平台为实现农药的按需释放提供了诸多可能。智能刺激-响应型杀菌剂控释纳米平台,一般以多孔纳米材料作为药物载体,通过不同的物理方法和化学修饰手段,将载体、植物源杀菌剂和阀门材料整合,构建出一种可以响应不同外源性和内源性刺激的杀菌剂控释体系。所制备的药物控释纳米平台可以在不同的p H、光、温度、酶和竞争试剂的作用下,体系内所装载的药物能够被可控的释放出来,在有效地保护农作物免受植物病原菌侵害的同时减少杀菌剂的用量。为此,本文设计并构筑了三种可以响应灰霉菌病原微环境的环境友好型杀菌剂纳米平台,用于灰霉菌的防控。这三种纳米平台分别是以功能化的介孔二氧化硅纳米粒子(MSNs)和金属-有机框架(MOFs)材料作为载体,用来装载植物源杀菌剂,之后,用功能性的纳米阀门或聚合物材料将体系进行包覆。所构筑的这三种杀菌剂纳米平台可以在灰霉菌侵染作物时产生的草酸微环境中,按需释放所装载的杀菌剂,在有效抑制灰霉菌生长的同时,提高杀菌剂的利用率,降低杀菌剂对生态环境和人类健康的不利影响。本研究的主要内容如下:(1)利用超分子化学,通过主-客体策略,设计并构筑了一种真菌病原菌微环境刺激响应的超分子杀菌剂纳米平台。该纳米平台是基于季铵盐(Q)修饰的介孔二氧化硅纳米粒子(MSNs)作为载体(MSN-Q NPs),装载植物源杀菌剂盐酸小檗碱(berberine hydrochloride,BH),之后用羧基柱[5]芳烃钠盐(CP[5]A)作为纳米阀门,形成了BH loaded CP[5]A@MSN-Q NPs杀菌剂纳米平台。在该体系中,具有负电子空腔的CP[5]A纳米阀门可以与MSN-Q NPs表面带有正电荷的Q通过主-客体作用相结合,实现了对多孔载体材料孔隙的成功封堵,避免载体内药物分子的提前释放。本研究巧妙地利用了灰霉菌在侵染寄主植物时自身创造的草酸微环境,使所制备的杀菌剂纳米平台能够实现按需释放药物的目的,而无需额外的外源刺激来控制药物的释放。与此同时,CP[5]A纳米阀门的质子化会降低草酸微环境中的H+的浓度从而减弱灰霉菌的致病性。此外,体外和盆栽实验结果均表明,制备的杀菌剂纳米平台可以有效地抑制灰霉菌菌丝的生长和孢子的萌发,表现出良好的抑菌活性。因此,这种微环境刺激响应的超分子杀菌剂纳米平台可以在很大程度上提高杀菌剂的利用效率,同时减少合成杀菌剂对作物和环境的不利影响,为灰霉菌的实际应用管理开辟了一条新途径。(2)基于上一个工作的设计和研究思路,我们所构建的第二个植物病原菌微环境刺激响应的杀菌剂递送纳米平台,以MSNs作为载体,装载植物源杀菌剂丁香酚(eugenol,EU),之后将Ag+配位的聚多巴胺(PDA)作为涂层材料包覆在MSNs的表面,所构筑的杀菌剂纳米平台Ag+-PDA@MSNs-EU NPs可以在灰霉菌产生的草酸微环境中释放所装载的杀菌剂EU和Ag+,同时杀菌剂EU还可以上调番茄植物防御相关基因的表达,从而实现对灰霉菌的有效防控。此外,体系内引入的Ag+,能够实现与EU协同的抗菌活性。体外和盆栽实验结果表明,Ag+-PDA@MSNs-EU NPs具有显著抑制灰霉菌菌丝体生长的作用,对于灰霉病的防控具有高度的可行性。(3)根据灰霉病的发病特点,结合主-客体策略,我们设计并构筑了一种基于MOFs材料的环境友好型超分子杀菌剂纳米平台。该杀菌剂纳米平台是基于苯并咪唑修饰的MOFs(B-MIL-101(Fe))作为载体,装载植物源杀菌剂蛇床子素(osthole,OS),之后用β-环糊精(β-CD)作为纳米阀门,形成了β-CD@B-MIL-101(Fe)-OS超分子杀真菌剂递送纳米平台。在该体系中,具有疏水空腔的β-CD纳米阀门可以与B-MIL-101(Fe)表面的苯并咪唑基团通过主-客体作用相结合,实现对多孔MOFs材料的成功封堵,避免载体内药物分子的提前泄露。该体系可以在灰霉菌产生的草酸微环境中释放所装载的杀菌剂,实现对灰霉菌的有效防控。实验结果表明,所构建的超分子杀菌剂控释体系能够有效抑制灰霉菌菌丝体的生长,保护番茄果实在成熟期免受灰霉菌的侵染。该策略构建了一种简便、自主激活的超分子给药系统来控制灰霉病的蔓延,为农药的合理利用和现代农业的可持续发展开辟了一条新的途径。以上这三种集材料化学、天然产物化学、高分子化学和纳米科学技术于一体的智能响应型杀菌剂递送纳米平台的设计,将为研究人员设计和构建新的智能杀菌剂控释体系提供新的指导思路与导向。所制备的纳米平台能够响应与植物病原菌相关的微环境,提高杀菌剂的利用率,及时防止病害蔓延,实现对农作物病害的有效防治。
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