近日，中国农大植物保护学院沈杰教授团队的呋虫胺纳米制剂研究成果引起农药界及社会广泛关注。农药在保障我国农业生产安全和国家粮食安全方面发挥着举足轻重的作用，但其不科学的施用也给农业可持续发展、农业现代化推进，乃至人类健康带来了许多负面影响。我国农业生态健康、乡村振兴和“药肥双减”等国家战略迫切需求绿色农药创制和农药纳米化新技术。

图1 团队研究人员组成

沈杰教授团队长期致力于纳米材料在病虫害绿色防控领域的应用（图1），借助新型功能化纳米材料，建立了简便的昆虫基因干扰新技术平台，通过点滴法即可递送dsRNA快速穿透昆虫体壁，高效稳定干扰基因表达；利用基因编辑、同源重组等技术构建了大肠杆菌新菌株和新质粒，该表达体系大幅提升了RNA的产率，达6倍以上；将工程菌表达的RNA与纳米载体混配组装，田间喷雾实验表明，其对蚜虫等害虫防效初步满足生物防治需求。

同时，纳米载体可以实现纳米级药物装载，增强水溶性，实现纳米化，增强农药的植物内吸性及害虫体壁的渗透能力，降低农药残留水平，具有提升杀虫效率、降低农药施用量的作用。

图2 获奖证书

该团队的系列纳米载体荣获2021年度中国石油和化学工业联合会科技进步奖一等奖（图2）。

RNA农药被誉为农药第三次革命，是国际上的研发和市场竞争热点，中国农大植物保护学院沈杰教授团队经过10余年的不懈努力，系统阐明了纳米载体提升外源植保因子生物学活性的细胞生物学机理，成功研发了可喷洒型RNA农药与农药纳米化增效减施技术体系，二者的田间推广应用和产业化将大力推动我国拥有完全自主知识产权的病虫害绿色防控新技术和产品的发展，预期目标是实现RNA农药的产业化、大幅提升传统化学农药的效率、降低农药残留、治理抗药性，确保农产品安全生产。

沈杰教授团队建立了简便的昆虫基因干扰新技术平台：点滴法/喷雾法应用dsRNA+纳米载体溶液，突破昆虫体壁屏障，稳定高效干扰基因表达。

RNA干扰技术被广泛应用于昆虫基因的功能解析，为阐明昆虫复杂生命活动提供了一种实用的分析手段。但昆虫的免疫系统会阻止外源dsRNA进入自身细胞并将其降解，有些昆虫的肠道和血淋巴中存在较强的RNA降解酶，导致外源dsRNA的快速降解，从一定程度上降低了基因干扰效率。一些重要的鳞翅目和半翅目农业害虫的RNAi效率低、稳定性差，严重制约了关键基因的功能解析。为了突破鳞翅目、半翅目等昆虫RNAi的技术瓶颈，团队建立了一种以纳米材料为载体的核酸递送平台，合成了周围携带正电荷树枝状大分子星聚物，作为一种阳离子荧光聚合物，荧光纳米载体可以通过静电作用结合负电性的核酸分子，形成稳定的复合体。该团队于2019年利用该荧光型纳米载体首次建立了一种新型的蚜虫dsRNA体壁递送系统（图3）。通过简便的背板点滴法，纳米载体可以高效穿透大豆蚜体壁，进入胚胎、脂肪体等组织细胞，靶标基因的干扰效率最高达95.4%，有效压低了虫口密度。

图3 纳米载体介导的dsRNA体壁递送系统示意图

这项研究国际首创了一种dsRNA害虫体壁纳米递送系统，突破了dsRNA的递送瓶颈，大幅提升了dsRNA的递送效率和RNAi效率。

考虑到田间实际应用，该团队对荧光型纳米载体进行了优化改造，成功合成了一种廉价、环保的农田应用型纳米载体。该载体可高效保护dsRNA免受核酸酶、昆虫血淋巴、中肠液的降解，通过激活网格蛋白介导的胞吞作用，实现了dsRNA的高效递送，起到了良好的基因干扰和致死效果（图4）。

图4 纳米载体介导的RNAi增效机理

在解决了dsRNA的递送难题之后，dsRNA高额的合成成本限制了其在害虫防控中的实际应用。针对这一问题，该团队建立了一种新型工程菌表达体系，利用基因编辑、同源重组等技术对工程菌BL21(DE3)实施rnc基因的无痕敲除，使其无法表达RNase III酶，再通过构建带有单T7启动子的RNAi干扰载体来实现RNA的高效表达（图5）。新型工程菌表达体系的RNA产量约是L4440-HT115(DE3)工程菌表达体系的6倍。

该研究所建立的工程菌表达体系在低成本的基础上实现了RNA的大批量生产，打破了L4440-HT115(DE3)这一国外研发的RNA表达体系的垄断地位。

近期，该团队将桃蚜两个生长发育关键基因构建在同一个表达载体上，实现了双靶标基因RNA的批量生产，借助纳米载体制备的RNA农药具有良好的植物内吸性能，田间喷雾实验对靶标害虫综合防效在60%以上，且对植物及非靶标昆虫安全，使得RNA制剂的田间应用成为了可能。

图5 工程菌高效合成hpRNA技术的建立

沈杰教授团队建立了一种以纳米载体为助剂的新型农药纳米化增效减施技术。

近年来，我国农药施用量零增长行动稳步推进，农药利用率逐步提高，但与农业发达国家相比，我国单位面积化学农药用量比世界平均用量高2倍以上，农药利用率比欧美发达国家低10至20个百分点。

如何进一步提升农药利用率、降低化学农药施用量成为了我国植保工作者的共同课题。该团队研发了一系列药剂型纳米载体，通过分子间互作，实现纳米级药物装载，纳米载体可以通过分子间范德华力、氢键或静电作用结合农药团粒，减小其在水溶液中的粒径，增强其植物内吸作用，提升农药对病虫害的防控效果。

如农田应用型纳米载体与蛇床子素可以通过静电和疏水作用实现纳米级装载，二者的结合打破了蛇床子素自身的团粒结构，将其粒径减小至17.66 nm，提升了蛇床子素对二斑叶螨、桃蚜、草莓白粉病的防效（图6）。

图6 纳米化蛇床子素病虫兼防示意图

为进一步验证农田应用型纳米载体能否作为一种通用的农药助剂，该团队利用纳米载体结合化学农药噻虫嗪，纳米载体可以通过静电作用自发与噻虫嗪团粒结合，将噻虫嗪团粒粒径从576 nm降至116 nm，噻虫嗪纳米制剂的植物内吸作用增强了1.69-1.84倍，对桃蚜的触杀和胃毒作用均显著提升20%左右。

同时，纳米载体可以减小植物诱抗剂壳聚糖粒径至17.4 nm，复合体具有良好的稳定性，通过增强植物细胞内吞作用，进而放大植物抗性反应，显著提升对田间马铃薯晚疫病的防效；纳米载体还可以大幅提升植物源杀菌剂丁子香酚对田间马铃薯晚疫病的防效（图7）。

该药剂型纳米载体成本低廉、环境安全，可以作为一种通用的农药助剂，具有良好的田间应用前景。

图7 纳米载体实现壳聚糖纳米化并放大植物防御反应

为田间大规模应用做准备，该团队系统评估了纳米载体对天敌异色瓢虫的生物毒性，结果表明，纳米载体触杀和胃毒急性毒力的LC50分别为43.96和19.85 mg/mL，胃毒作用的LC50是纳米载体田间工作浓度的9925倍，表明纳米载体相对安全。在极高浓度下，纳米载体的使用主要扰乱了昆虫细胞膜上基因的表达，导致细胞膜穿孔，细胞破碎，细胞液外流，引起细菌性感染，最终导致昆虫的死亡。

药剂纳米化增效减施技术的应用可以减少化学/植物源药剂的施用，进而降低对天敌的杀伤，在释放异色瓢虫卵卡的同时喷施纳米化化学/植物源药剂，既保证天敌的安全性，又解决天敌防控的滞后性问题，兼顾速效性和持效性，具有良好的害虫防控效果。

参考资料：http://news.cau.edu.cn/art/2022/1/24/art_8769_809991.html