納米農藥與昆蟲抗藥性

孫賀親，趙鵬躍，曹 沖，李鳳敏，黃啟良，曹立冬

（中國農業科學院植物保護研究所，北京 100193）

農業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、促進農產品產量穩定增長方面發揮了重要作用。然而，過度依賴及持續大量使用化學農藥對害蟲起到了選育作用，長期積累會導致其抗藥性發生與發展[2]。昆蟲抗藥性日益嚴重，使害蟲再猖獗，造成農作物大量減產，給植保工作帶來巨大挑戰。因此，深入開展昆蟲抗性治理，對提高農產品的產量與品質，實現農業的綠色發展，具有重要的學術意義和應用價值。

昆蟲抗性治理旨在綜合運用化學策略、生物防治、物理防治和農業防治等手段，延緩或者阻止昆蟲抗藥性的產生與發展，促使昆蟲對農藥恢復或保持敏感狀態，延長農藥產品的使用周期，將蟲害控制在經濟允許水平之下[3]。其核心在于降低殺蟲劑對靶標害蟲的選擇壓力[4]。輪換和混用具有不同作用機制的殺蟲劑是延緩昆蟲抗藥性最常用的化學手段[5]。通常最理想的策略是創制具有新作用機制的殺蟲劑，但由于開發一個商品化的新農藥通常需要10～15年的時間，且殺蟲劑的研制和開發速度遠低于昆蟲產生抗性的速度[6]。農藥劑型對改善農藥性能起著關鍵的作用，從不同程度上可以緩解一些農藥品種的抗藥性問題。因此，通過農藥劑型的優化，延緩新農藥品種抗藥性的發展，克服已有的抗藥性，進而延長現有殺蟲劑品種的使用壽命具有十分重要的意義。

近年來，納米科技的迅猛發展為現代科學提供了新的方法論，正在推動傳統學科在許多交叉領域不斷孕育新的重大突破。在醫藥領域，化療是目前腫瘤干預的主要方式，但隨著使用時間的延長，腫瘤細胞表現出對多種化療藥物的耐藥性（MDR）[7]。MDR是腫瘤細胞對抗化療藥物毒性損傷最重要的自我保護機制，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，納米載體在逆轉MDR方面具有增強藥物靶向性、實現藥物選擇性釋放、減少藥物外排以及協同遞送多種活性分子的優勢，受到國內外學者的廣泛關注[9-10]，說明納米材料和技術在克服藥物耐/抗藥性方面具有良好的應用前景。

1 納米農藥

國內外學者在利用納米技術和材料改善農藥性能方面開展了廣泛的研究，并取得了一系列的進展。納米農藥踏準時代發展的需求，日漸成為當下國內外的研究熱點。作者基于近年來的研究工作和體會，給出了納米農藥的初步定義：通過納米制備技術，使農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穩定存在的農藥。具體納米尺度的界限目前國內外尚未有統一的界定。作者認為尺度太大，如1 000 nm，難以真正體現納米農藥的優勢；尺度太小，如50或100 nm會帶來生產成本的增加，難以規模化生產從而進行實際應用。不同存在形態的納米農藥應該有不同的尺度范圍要求，如納米乳劑可限定在100 nm以內，納米懸浮劑限定在300 nm以內，充分兼顧制備的成本和使用的性能。

在國家重大科學研究計劃項目“利用納米材料與技術提高農藥有效性與安全性的基礎研究”和國家重點研發計劃項目“化學農藥對靶高效傳遞與沉積機制及調控”的支持下，我國農藥科研工作者圍繞納米載藥系統的農藥水基化分散效應、農藥葉面高效沉積與劑量轉移調控機理、有效性與安全性作用機制等關鍵科學問題，進行了較為深入的研究，在基礎理論和應用方面均取得一定的突破，也研發出一些具有產業化前景的納米農藥。然而，納米農藥對昆蟲抗藥性的影響仍缺少關注。納米農藥特有的小尺度和控制釋放性能改變了常規農藥劑型應用中藥劑在靶標作物及有害生物上的傳輸分布及劑量效應，這種改變是延緩抗藥性還是促進抗藥性的發生均值得進一步開展深入研究。

2 納米農藥與昆蟲抗藥性

昆蟲抗藥性主要與昆蟲生理、生化機制的改變以及抗性基因的突變有關[12]。昆蟲體內解毒酶活性增強，表皮穿透性降低和靶標部位敏感性下降都會導致昆蟲抗藥性的產生[13]。腫瘤MDR的產生主要是由于跨膜蛋白過度表達、相關酶系統變化、藥物作用靶點改變，導致藥物代謝和外排能力增強及化療效果減弱[14]。昆蟲抗藥性與腫瘤MDR產生的原因有很多相似之處，因此納米載體克服腫瘤MDR所取得的研究進展激勵我們深入研究納米農藥對昆蟲抗藥性的影響。納米載體特有的小尺度效應、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揮重要作用。

2.1 納米載藥體系降低昆蟲體內解毒酶對殺蟲劑的代謝降解

昆蟲體內解毒酶活力的增強是昆蟲產生抗藥性的重要原因。細胞色素P450單加氧酶（P450）、谷胱甘肽-S-轉移酶（GST）和羧酸酯酶（CarE）是昆蟲體內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上是催化一系列化學反應，比如氧化、水解、加成和取代反應等。納米載體則可以減少負載農藥與環境因子的接觸，提高其在使用環境中的化學穩定性。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]。納米載藥體系進入昆蟲體內后，納米載體可以保護負載的殺蟲劑，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相關基因的表達

農業害蟲在殺蟲劑暴露后其體內活性氧水平隨之升高，并能引起害蟲體內解毒酶（如P450）基因上調表達進而導致害蟲抗藥性水平上升。因此，抑制害蟲體內活性氧升高是一種潛在的新型害蟲治理策略。褐飛虱解毒酶細胞色素P450基因過表達是介導褐飛虱對目前廣泛應用的新煙堿類殺蟲劑產生抗性的主要原因。氧化鈰（CeO2）納米粒子具有獨特的活性氧清除活性，在醫學領域中已有大量關于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二氧化硅上，制備了無機納米材料復合物（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，可降低褐飛虱體內活性氧水平進而降低害蟲解毒酶活力，并且下調害蟲P450基因表達水平，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手段。

2.3 納米載藥體系協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可以穿透昆蟲表皮，從而可以將負載的農藥分子攜帶進入昆蟲體內。黃粉蟲（Tenebrio molitor）表皮角質層中存在著細小的脂質包裹的孔道，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入體內[21]。納米顆粒還可以破壞昆蟲表皮結構，為農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作物葉面的沉積，從而增大昆蟲通過接觸而進入體內的量。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構、影響抗氧化和解毒酶以及降低膜通透性等機制實現殺蟲活性[22]。納米顆粒具有與化學農藥不同的殺蟲作用機制，可以在一定程度上減緩因靶標敏感度降低導致的抗藥性，起到協同增效的作用。用粒徑在25 nm左右的介孔納米二氧化硅對小菜蛾進行粉塵處理，72 h后的防效可達到85%，其主要通過破壞小菜蛾的表皮，導致失水，從而實現殺蟲活性[24]。Chen等[25]研究發現，介孔納米二氧化硅可選擇性地誘導致病疫霉胞內自發產生大量的羥基自由基（·OH）、超氧自由基（·O2-）和單線態氧（1O2）等活性氧自由基，導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域中的應用。

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修飾控制殺蟲劑的釋放和靶向傳輸

納米載體進行界面化學修飾，可以起到“門控”的作用，從而基于外部環境因素的改變調控負載農藥的釋放，提高農藥利用率，減少農藥投入量。納米載體界面進行二硫鍵修飾，可構建氧化還原響應型藥物釋放體系。Lu等[26]制備了二硫鍵修飾的介孔二氧化硅并進行抗性誘導物水楊酸的負載，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。昆蟲體內廣泛存在的GSH為設計氧化還原響應型納米載藥體系提供了可行性。此外，納米載體還可以進行靶向性修飾，提高與靶標部位的結合能力。有研究表明，通過與帶負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

昆蟲的抗藥性機制主要為代謝抗性、靶標抗性和行為抗性。學界和產業界從化學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、飽和治理和復合治理。然而，通過農藥劑型的優化，是否可以延緩新農藥品種抗藥性的發展，克服已有的抗藥性，進而延長現有殺蟲劑品種的使用壽命尚未有深入研究。納米農藥特有的小尺度效應、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揮重要作用。通過葉片浸漬法、點滴法或者定量噴霧法對敏感種群進行抗藥性選育，深入研究納米農藥粒徑大小、界面性質和釋放特性對昆蟲解毒酶活性、代謝產物劑量測定和抗藥性風險的影響規律及調控機制，有望為昆蟲的抗性治理提供新的思路和視角，也將促進納米農藥相關標準的制定，推動研發登記和成果落地，為我國農藥減量施用提供理論指導和技術支撐。