納米農(nóng)藥與昆蟲抗藥性

孫賀親，趙鵬躍，曹 沖，李鳳敏，黃啟良，曹立冬

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，北京 100193）

農(nóng)業(yè)害蟲通過直接破壞和間接傳播植物病害造成全球大約20%～40%的作物損失[1]。殺蟲劑在保障全球糧食生產(chǎn)、促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量穩(wěn)定增長方面發(fā)揮了重要作用。然而，過度依賴及持續(xù)大量使用化學(xué)農(nóng)藥對害蟲起到了選育作用，長期積累會導(dǎo)致其抗藥性發(fā)生與發(fā)展[2]。昆蟲抗藥性日益嚴(yán)重，使害蟲再猖獗，造成農(nóng)作物大量減產(chǎn)，給植保工作帶來巨大挑戰(zhàn)。因此，深入開展昆蟲抗性治理，對提高農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量與品質(zhì)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展，具有重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用價值。

昆蟲抗性治理旨在綜合運(yùn)用化學(xué)策略、生物防治、物理防治和農(nóng)業(yè)防治等手段，延緩或者阻止昆蟲抗藥性的產(chǎn)生與發(fā)展，促使昆蟲對農(nóng)藥恢復(fù)或保持敏感狀態(tài)，延長農(nóng)藥產(chǎn)品的使用周期，將蟲害控制在經(jīng)濟(jì)允許水平之下[3]。其核心在于降低殺蟲劑對靶標(biāo)害蟲的選擇壓力[4]。輪換和混用具有不同作用機(jī)制的殺蟲劑是延緩昆蟲抗藥性最常用的化學(xué)手段[5]。通常最理想的策略是創(chuàng)制具有新作用機(jī)制的殺蟲劑，但由于開發(fā)一個商品化的新農(nóng)藥通常需要10～15年的時間，且殺蟲劑的研制和開發(fā)速度遠(yuǎn)低于昆蟲產(chǎn)生抗性的速度[6]。農(nóng)藥劑型對改善農(nóng)藥性能起著關(guān)鍵的作用，從不同程度上可以緩解一些農(nóng)藥品種的抗藥性問題。因此，通過農(nóng)藥劑型的優(yōu)化，延緩新農(nóng)藥品種抗藥性的發(fā)展，克服已有的抗藥性，進(jìn)而延長現(xiàn)有殺蟲劑品種的使用壽命具有十分重要的意義。

近年來，納米科技的迅猛發(fā)展為現(xiàn)代科學(xué)提供了新的方法論，正在推動傳統(tǒng)學(xué)科在許多交叉領(lǐng)域不斷孕育新的重大突破。在醫(yī)藥領(lǐng)域，化療是目前腫瘤干預(yù)的主要方式，但隨著使用時間的延長，腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出對多種化療藥物的耐藥性（MDR）[7]。MDR是腫瘤細(xì)胞對抗化療藥物毒性損傷最重要的自我保護(hù)機(jī)制，也是化療失敗的重要原因[8]。近年來，藥物載體成為克服MDR研究的熱點(diǎn)，納米載體在逆轉(zhuǎn)MDR方面具有增強(qiáng)藥物靶向性、實現(xiàn)藥物選擇性釋放、減少藥物外排以及協(xié)同遞送多種活性分子的優(yōu)勢，受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[9-10]，說明納米材料和技術(shù)在克服藥物耐/抗藥性方面具有良好的應(yīng)用前景。

1 納米農(nóng)藥

國內(nèi)外學(xué)者在利用納米技術(shù)和材料改善農(nóng)藥性能方面開展了廣泛的研究，并取得了一系列的進(jìn)展。納米農(nóng)藥踏準(zhǔn)時代發(fā)展的需求，日漸成為當(dāng)下國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)。作者基于近年來的研究工作和體會，給出了納米農(nóng)藥的初步定義：通過納米制備技術(shù)，使農(nóng)藥有效成分在制劑或/和使用分散體系中的平均粒徑以納米尺度分散狀態(tài)穩(wěn)定存在的農(nóng)藥。具體納米尺度的界限目前國內(nèi)外尚未有統(tǒng)一的界定。作者認(rèn)為尺度太大，如1 000 nm，難以真正體現(xiàn)納米農(nóng)藥的優(yōu)勢；尺度太小，如50或100 nm會帶來生產(chǎn)成本的增加，難以規(guī)模化生產(chǎn)從而進(jìn)行實際應(yīng)用。不同存在形態(tài)的納米農(nóng)藥應(yīng)該有不同的尺度范圍要求，如納米乳劑可限定在100 nm以內(nèi)，納米懸浮劑限定在300 nm以內(nèi)，充分兼顧制備的成本和使用的性能。

在國家重大科學(xué)研究計劃項目“利用納米材料與技術(shù)提高農(nóng)藥有效性與安全性的基礎(chǔ)研究”和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目“化學(xué)農(nóng)藥對靶高效傳遞與沉積機(jī)制及調(diào)控”的支持下，我國農(nóng)藥科研工作者圍繞納米載藥系統(tǒng)的農(nóng)藥水基化分散效應(yīng)、農(nóng)藥葉面高效沉積與劑量轉(zhuǎn)移調(diào)控機(jī)理、有效性與安全性作用機(jī)制等關(guān)鍵科學(xué)問題，進(jìn)行了較為深入的研究，在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用方面均取得一定的突破，也研發(fā)出一些具有產(chǎn)業(yè)化前景的納米農(nóng)藥。然而，納米農(nóng)藥對昆蟲抗藥性的影響仍缺少關(guān)注。納米農(nóng)藥特有的小尺度和控制釋放性能改變了常規(guī)農(nóng)藥劑型應(yīng)用中藥劑在靶標(biāo)作物及有害生物上的傳輸分布及劑量效應(yīng)，這種改變是延緩抗藥性還是促進(jìn)抗藥性的發(fā)生均值得進(jìn)一步開展深入研究。

2 納米農(nóng)藥與昆蟲抗藥性

昆蟲抗藥性主要與昆蟲生理、生化機(jī)制的改變以及抗性基因的突變有關(guān)[12]。昆蟲體內(nèi)解毒酶活性增強(qiáng)，表皮穿透性降低和靶標(biāo)部位敏感性下降都會導(dǎo)致昆蟲抗藥性的產(chǎn)生[13]。腫瘤MDR的產(chǎn)生主要是由于跨膜蛋白過度表達(dá)、相關(guān)酶系統(tǒng)變化、藥物作用靶點(diǎn)改變，導(dǎo)致藥物代謝和外排能力增強(qiáng)及化療效果減弱[14]。昆蟲抗藥性與腫瘤MDR產(chǎn)生的原因有很多相似之處，因此納米載體克服腫瘤MDR所取得的研究進(jìn)展激勵我們深入研究納米農(nóng)藥對昆蟲抗藥性的影響。納米載體特有的小尺度效應(yīng)、藥物控制釋放和靶向傳輸性能，有望在延緩或者克服昆蟲抗藥性方面發(fā)揮重要作用。

2.1 納米載藥體系降低昆蟲體內(nèi)解毒酶對殺蟲劑的代謝降解

昆蟲體內(nèi)解毒酶活力的增強(qiáng)是昆蟲產(chǎn)生抗藥性的重要原因。細(xì)胞色素P450單加氧酶（P450）、谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶（GST）和羧酸酯酶（CarE）是昆蟲體內(nèi)參與代謝抗性研究最多的三大解毒酶[15]。解毒酶參與殺蟲劑代謝本質(zhì)上是催化一系列化學(xué)反應(yīng)，比如氧化、水解、加成和取代反應(yīng)等。納米載體則可以減少負(fù)載農(nóng)藥與環(huán)境因子的接觸，提高其在使用環(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性。通過自組裝形成的納米膠束可以顯著提高天然除蟲菊素的光穩(wěn)定性和滅蚊活性[16]。聚谷氨酸和殼聚糖通過靜電自組裝形成的納米微球不僅可以顯著提高阿維菌素的光穩(wěn)定性，還可以提升對松樹線蟲的殺蟲活性[17]。納米載藥體系進(jìn)入昆蟲體內(nèi)后，納米載體可以保護(hù)負(fù)載的殺蟲劑，減少與解毒酶的接觸，從而有望降低其代謝脫毒。

納米載藥體系也可以通過降低解毒酶的活性從而延緩農(nóng)藥活性成分的降解。Bilal等[18]成功制備了尺寸在180 nm左右的碳量子點(diǎn)修飾的熒光介孔二氧化硅納米顆粒（FL-SiO2NPs）和載藥量為24%的茚蟲威納米載藥顆粒（IN@FL-SiO2NPs）。在所有試驗處理濃度下（1.56～25 mg/L），用IN@FL-SiO2NPs處理的小菜蛾（Plutella xylostella）死亡率均高于茚蟲威原藥處理。在最高濃度為25 mg/L時，IN@FL-SiO2NPs的致死率為90%，而茚蟲威原藥的致死率為76%。此外，與茚蟲威原藥相比，用IN@FL-SiO2 NPs處理可抑制小菜蛾的解毒酶（GST、CarE和P450）的活性（圖1）。

圖1 熒光介孔二氧化硅納米顆粒負(fù)載茚蟲威提高殺蟲活性及降低小菜蛾解毒酶活性示意圖[18]

2.2 納米載藥體系影響昆蟲體內(nèi)相關(guān)基因的表達(dá)

農(nóng)業(yè)害蟲在殺蟲劑暴露后其體內(nèi)活性氧水平隨之升高，并能引起害蟲體內(nèi)解毒酶（如P450）基因上調(diào)表達(dá)進(jìn)而導(dǎo)致害蟲抗藥性水平上升。因此，抑制害蟲體內(nèi)活性氧升高是一種潛在的新型害蟲治理策略。褐飛虱解毒酶細(xì)胞色素P450基因過表達(dá)是介導(dǎo)褐飛虱對目前廣泛應(yīng)用的新煙堿類殺蟲劑產(chǎn)生抗性的主要原因。氧化鈰（CeO2）納米粒子具有獨(dú)特的活性氧清除活性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中已有大量關(guān)于CeO2納米粒子清除活性氧的研究。Zeng等[19]采用一鍋法將氧化鈰納米粒子錨定于介孔有機(jī)二氧化硅上，制備了無機(jī)納米材料復(fù)合物（MOM@CeO2），極大提高了氧化鈰納米粒子的分散性。MOM@CeO2具有活性氧清除能力，可降低褐飛虱體內(nèi)活性氧水平進(jìn)而降低害蟲解毒酶活力，并且下調(diào)害蟲P450基因表達(dá)水平，在殺蟲劑烯啶蟲胺、氟啶蟲胺腈或噻蟲胺同等使用劑量下，可提高殺蟲活性30%以上，為靶向害蟲抗藥性的治理策略提供了新視角及技術(shù)手段。

2.3 納米載藥體系協(xié)助提高殺蟲劑對昆蟲的表皮穿透

殺蟲劑穿透昆蟲表皮主要有以下2種途徑：藥劑直接噴灑在昆蟲體表由體壁進(jìn)入或藥劑噴灑于植物，昆蟲因爬行而攝入[20]。納米顆粒因其特有的小尺度效應(yīng)可以穿透昆蟲表皮，從而可以將負(fù)載的農(nóng)藥分子攜帶進(jìn)入昆蟲體內(nèi)。黃粉蟲（Tenebrio molitor）表皮角質(zhì)層中存在著細(xì)小的脂質(zhì)包裹的孔道，直徑在6～65 nm。研究表明，納米金剛石（直徑約10 nm左右）可以通過黃粉蟲表皮進(jìn)入體內(nèi)[21]。納米顆粒還可以破壞昆蟲表皮結(jié)構(gòu)，為農(nóng)藥穿透提供新的通道[22]。此外，納米載藥體系可以提高在靶標(biāo)作物葉面的沉積，從而增大昆蟲通過接觸而進(jìn)入體內(nèi)的量。比如，甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）和丙烯酸（AA）共聚物界面修飾的中空納米二氧化硅（HMS）可以提高阿維菌素（Aba）在水稻葉面的沉積，展現(xiàn)出比阿維菌素乳油更好的稻縱卷葉螟防效（圖2）[23]。

圖2 中空納米二氧化硅提高阿維菌素水稻葉面沉積和稻縱卷葉螟防效示意圖[23]

2.4 納米載體具有的殺蟲活性降低殺蟲劑對靶標(biāo)昆蟲的選擇壓

納米顆粒，如納米二氧化硅、氧化石墨烯、聚苯乙烯和金屬納米顆粒等，可以通過改變昆蟲表皮結(jié)構(gòu)、影響抗氧化和解毒酶以及降低膜通透性等機(jī)制實現(xiàn)殺蟲活性[22]。納米顆粒具有與化學(xué)農(nóng)藥不同的殺蟲作用機(jī)制，可以在一定程度上減緩因靶標(biāo)敏感度降低導(dǎo)致的抗藥性，起到協(xié)同增效的作用。用粒徑在25 nm左右的介孔納米二氧化硅對小菜蛾進(jìn)行粉塵處理，72 h后的防效可達(dá)到85%，其主要通過破壞小菜蛾的表皮，導(dǎo)致失水，從而實現(xiàn)殺蟲活性[24]。Chen等[25]研究發(fā)現(xiàn)，介孔納米二氧化硅可選擇性地誘導(dǎo)致病疫霉胞內(nèi)自發(fā)產(chǎn)生大量的羥基自由基（·OH）、超氧自由基（·O2-）和單線態(tài)氧（1O2）等活性氧自由基，導(dǎo)致病原菌的過氧化損傷（圖3）。該研究為納米二氧化硅的抗菌機(jī)制提供了新見解，并拓展了納米材料作為綠色高效殺菌劑在控制晚疫病領(lǐng)域中的應(yīng)用。

圖3 納米二氧化硅控制馬鈴薯晚疫病示意圖[25]

2.5 納米載體的界面化學(xué)修飾控制殺蟲劑的釋放和靶向傳輸

納米載體進(jìn)行界面化學(xué)修飾，可以起到“門控”的作用，從而基于外部環(huán)境因素的改變調(diào)控負(fù)載農(nóng)藥的釋放，提高農(nóng)藥利用率，減少農(nóng)藥投入量。納米載體界面進(jìn)行二硫鍵修飾，可構(gòu)建氧化還原響應(yīng)型藥物釋放體系。Lu等[26]制備了二硫鍵修飾的介孔二氧化硅并進(jìn)行抗性誘導(dǎo)物水楊酸的負(fù)載，在谷胱甘肽（GSH）的存在下，水楊酸的釋放速率加快，提高了菠蘿抗根腐病的性能。昆蟲體內(nèi)廣泛存在的GSH為設(shè)計氧化還原響應(yīng)型納米載藥體系提供了可行性。此外，納米載體還可以進(jìn)行靶向性修飾，提高與靶標(biāo)部位的結(jié)合能力。有研究表明，通過與帶負(fù)電荷胃黏液的靜電吸引作用，正電荷修飾的羧甲基纖維素/玉米蛋白阿維菌素納米載藥體系，對小菜蛾顯示出更好的殺蟲活性[27]。

3 展望

昆蟲的抗藥性機(jī)制主要為代謝抗性、靶標(biāo)抗性和行為抗性。學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界從化學(xué)防治的角度提出了一套抗性治理的策略，主要包括適度治理、飽和治理和復(fù)合治理。然而，通過農(nóng)藥劑型的優(yōu)化，是否可以延緩新農(nóng)藥品種抗藥性的發(fā)展，克服已有的抗藥性，進(jìn)而延長現(xiàn)有殺蟲劑品種的使用壽命尚未有深入研究。納米農(nóng)藥特有的小尺度效應(yīng)、藥物控制釋放和靶向傳輸性能有望在延緩或克服昆蟲抗藥性方面發(fā)揮重要作用。通過葉片浸漬法、點(diǎn)滴法或者定量噴霧法對敏感種群進(jìn)行抗藥性選育，深入研究納米農(nóng)藥粒徑大小、界面性質(zhì)和釋放特性對昆蟲解毒酶活性、代謝產(chǎn)物劑量測定和抗藥性風(fēng)險的影響規(guī)律及調(diào)控機(jī)制，有望為昆蟲的抗性治理提供新的思路和視角，也將促進(jìn)納米農(nóng)藥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，推動研發(fā)登記和成果落地，為我國農(nóng)藥減量施用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。