林英+司春燦+黃莉萍+高潔

摘要：納米技術(shù)用于作物的病害防治對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義，綜述納米技術(shù)在作物病害防治中的具體應(yīng)用，采用納米農(nóng)藥用于作物病害的防治、利用納米傳感器對作物病原體進行檢測、利用納米肥料提高作物的抗病能力等，旨在為納米技術(shù)在作物病害防治中提供參考。

關(guān)鍵詞：納米技術(shù)；病害防治；可持續(xù)發(fā)展；作物；應(yīng)用；抗病能力；研究進展

中圖分類號： S435文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）11-0011-05

農(nóng)作物病害是主要的農(nóng)業(yè)災(zāi)害之一，病害的暴發(fā)對國民經(jīng)濟、特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)常造成重大損失。據(jù)報道，就全球范圍而言，每年由病原真菌或病原細菌引發(fā)的植物病害導(dǎo)致作物減產(chǎn)14.1%，直接經(jīng)濟損失達220億美元/年[3]。因此，對作物病害的防治一直是農(nóng)業(yè)研究的重點和熱點。

本研究就納米技術(shù)在作物病害防治中的應(yīng)用，包括采用納米農(nóng)藥用于作物病害的防治、利用納米傳感器對作物病原體進行檢測、通過施用納米肥料提高作物的抗病能力等方面的研究進展進行綜述，旨在為納米技術(shù)在作物病害防治中的應(yīng)用提供參考。

1納米農(nóng)藥用于作物病害的防治

納米農(nóng)藥指的是將農(nóng)藥原藥或者載體粒子納米化后，形成具有納米效應(yīng)、降低用量、提高藥效、環(huán)境友好等特性的新型農(nóng)藥制劑[4-5]。目前常見的納米農(nóng)藥有以下幾種類型。

1.1納米包埋型農(nóng)藥

納米包埋型農(nóng)藥是指將農(nóng)藥與納米材料通過溶解、包裹作用于粒子內(nèi)部，或者通過吸附、附著作用于粒子表面[6]。目前常見的用于包埋農(nóng)藥的納米材料有聚合物基納米材料、固體脂質(zhì)納米材料、無機多孔納米材料、納米黏土材料等。這些納米材料經(jīng)過加工組裝后又形成了不同形狀的納米包埋型農(nóng)藥，如納米膠囊、納米球、膠束、納米凝膠、脂質(zhì)體、無機多孔納米粒等[5-6]。與傳統(tǒng)農(nóng)藥相比，納米包埋型農(nóng)藥能起到可控緩釋，延長藥物的持續(xù)性，增強藥劑有效成分的溶解性，抑制藥物因受光、紫外線、雨水、溫度、微生物等因素的影響而過早降解的作用[6-7]。如Kaushik等將相對分子質(zhì)量分別為600、1 000、1 500、2 000的聚乙二醇和5-羥基間苯二甲酸二甲酯共聚制得的4種嵌段共聚物納米膠束用于包埋福美雙，發(fā)現(xiàn)沒有采用納米包埋技術(shù)的福美雙在水中釋放后第7天就檢測到了最高濃度，而采用納米包埋技術(shù)的福美雙在水中釋放后分別于第15、21、28、35天時才檢測到最高濃度[8]。除了具備上述納米包埋型農(nóng)藥共有的優(yōu)點外，不同的納米材料由于自身特殊的性質(zhì)，在防治作物病害的應(yīng)用方面也具有各自的優(yōu)點。目前常見的合成納米包埋型農(nóng)藥的材料性質(zhì)、合成類型及在防治作物病害上的優(yōu)點如表1所示。表1常見的合成納米包埋型農(nóng)藥的材料性質(zhì)、合成類型及在防治作物病害上的優(yōu)點

材料性質(zhì)合成類型在防治作物病害上的優(yōu)點聚合物基納米材料

納米膠囊、納米球、膠束、納米凝膠

基于天然聚合物如多糖、海藻酸鈉、幾丁質(zhì)等加工成的納米農(nóng)藥具有無毒、易降解、生物相容性好等優(yōu)點，得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用[9]；此外，納米水凝膠和土壤結(jié)合后還能增加土壤的持水能力、滲透性、土壤通氣量，有利于植物的生長[10]固體脂質(zhì)納米材料脂質(zhì)體容易通過植物的角質(zhì)層[1]無機多孔納米材料無機多孔納米粒無毒、生物相容性好、機械性能穩(wěn)定、孔徑可調(diào)節(jié)[11]

1.2納米材料用作農(nóng)藥

最近的研究結(jié)果表明，鎂、鋅、銅、二氧化鈦、氧化鋅、氧化鎂、氧化銅、石墨烯等金屬或無機材料被制成納米級微粒之后本身就具有抑制病原真菌或病原細菌的功效，它們不僅在室內(nèi)離體試驗條件下能抑制病原菌的生長，而且在活體試驗條件下也對作物病害表現(xiàn)出了很好的抑制效果[12-14]，但目前還不清楚其抑菌機理。常見的金屬或無機納米材料對病原菌的抑制種類及抑制機理如表2所示。表2常見的金屬或無機納米材料對病原菌的抑制種類及抑制機理

納米材料抑制病原菌的種類可能的抑菌機理納米銀立枯絲核菌（Rhizoctonia solani）[17]、炭疽菌（Colletotrichum spp.）[18]、根腐病菌（Bipolaris sorokiniana）、稻瘟病菌（Magnaporthe grisea）[19]、葉枯病菌（Xanthomonas perforans）[20]釋放出銀離子，銀離子與細胞膜結(jié)合后破環(huán)細胞膜的完整性，隨后滲透到細胞質(zhì)中的銀離子導(dǎo)致關(guān)鍵酶失活和細胞死亡[20]納米二氧化鈦甜瓜細菌性葉斑病菌（Pseudomonas syringae Pv.lachrymans）、霜霉病菌（Pseudoperonospora cubensis）[21]、葉枯病菌[13]經(jīng)光催化反應(yīng)生成的活性羥基和超氧離子能穿透細胞壁，使細胞膜中的脂質(zhì)發(fā)生過氧化反應(yīng)，破壞細胞結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致細胞死亡[22]納米氧化鋅灰葡萄孢菌（Botrytis cinerea）、青霉菌（Penicillium expansum）[23]、交鏈格孢菌（Alternaria alternate）、匍枝根霉（Rhizopus stolonife）、尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）[24]沉積在細胞表面的氧化鋅能產(chǎn)生活性氧（主要是單態(tài)氧、羥基自由基），或納米顆粒本身的機械損傷造成細胞的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生混亂[25]納米石墨烯禾谷鐮刀菌、尖孢鐮刀菌、丁香假單胞菌、小麥黑穎病黃單胞菌（X. campestris pv. undulosa）[26]通過纏繞包裹病原菌位點性損傷細胞膜，引起細胞膜電勢降低和孢子電解質(zhì)泄露，從而造成病原菌裂解死亡[26]

除了單一利用某種金屬或無機材料制成納米級微粒用于作物病害的防治外，目前也研發(fā)了將不同的金屬或無機材料組合成一種納米制劑后用于病害的防治。研究發(fā)現(xiàn)，硅雖然對植物病原菌沒有直接的抑制作用，但它能激活植物的生理活性，促進植物的生長，提高植物對病害的抵抗能力[15]。而銀離子能對植物病原菌具有直接的抑制作用，基于硅和銀各自的特點，Park等將硅和銀組合在一起加工成了具有加強效應(yīng)的抑菌納米微粒，這種新型的硅-銀納米微粒不僅在離體試驗條件下能抑制植物多種病原菌的生長，還在溫室和大田試驗中對南瓜白粉病表現(xiàn)出了很好的防治效果[16]。

1.3將原農(nóng)藥納米化

農(nóng)藥原藥絕大多數(shù)不溶于水，又難以直接粉碎使用，因此在農(nóng)藥的生產(chǎn)過程中往往要添加一些農(nóng)藥助劑，如溶劑、滲透劑、展著劑等。而這些農(nóng)藥助劑對人畜造成的毒性可能比農(nóng)藥有效成分本身更大[27]。

采用納米加工技術(shù)使農(nóng)藥原藥納米化，如將液體農(nóng)藥制成微乳劑或?qū)⒐腆w農(nóng)藥直接制成納米微粒制劑，可以增加農(nóng)藥的比表面積，改善農(nóng)藥在水中的分散性和穩(wěn)定性，減少有機溶劑和助劑的用量，降低農(nóng)藥的表面張力，促進靶標的吸收，提高農(nóng)藥的利用率[28]。戊唑醇是一種高效、廣譜的殺菌劑，在全球范圍內(nèi)使用廣泛，但由于其水溶性低，傳統(tǒng)的戊唑醇乳油的生產(chǎn)要添加二氯甲烷和丙酮，并且該農(nóng)藥對地下水的污染指數(shù)為2.3，對地下水源淋溶存在危險。Díaz-Blancas等通過添加丙酮、甘油、吐溫80、Agnique BL1754將戊唑醇原藥加工成納米乳劑后發(fā)現(xiàn)，該乳劑的表面張力比純水低50%左右，大大提高了戊唑醇的利用率，降低了其對環(huán)境的污染[27]。

2納米技術(shù)用于作物病害的檢測

農(nóng)作物的大部分病害在染病初期雖然較易防治，但一般不易被人察覺，病害一旦暴發(fā)，就給防治帶來很大的困難。因此，在作物發(fā)病初期對病害進行及時、正確的檢測，對防止病害的暴發(fā)尤為重要。納米技術(shù)用于植物病害的檢測，主要包括以下2個方面：一是利用納米材料直接對植物病原體進行檢測，二是作為快速診斷工具檢測植物因病害產(chǎn)生的特征化合物，為作物病害的診斷提供參考。

2.1納米材料直接用于病原體的檢測

基因芯片是準確檢測各種病原體的重要工具，而納米基因芯片可以使分子在其上的結(jié)合速度比傳統(tǒng)方法提高1 000倍，能靈敏地檢測出細菌和病毒單個核苷酸的變化。Ruiz-Garcia等利用納米基因芯片對感染番茄植株的病原細菌和病毒進行了準確、快速的檢測[29]。金納米顆粒由于具有較高的電導(dǎo)率和電催化活性，目前已被制成各種傳感器，廣泛應(yīng)用于病原菌的檢測中。Singh等利用納米金側(cè)流免疫層析傳感器靈敏地檢測出了小麥黑穗病病原菌（Tilletia indicai）[30]。納米熒光探針由于其超高的靈敏度和即便是在超痕量組分的檢測下都能發(fā)出足夠強的熒光等特點，目前已被用于病原菌的檢測中。Yao等將二抗羊抗兔連接到包裹了聯(lián)毗咤釘?shù)亩趸桀w粒上制成的二氧化硅熒光納米探針，用于檢測茄科植物的細菌性葉斑病病原菌，與直接用異硫氰酸熒光作熒光探針相比，二氧化硅熒光納米探針檢測到的熒光信號更明顯[31]。

2.2納米材料作為快速診斷工具檢測作物因病害產(chǎn)生的特征化合物

植物在病害、蟲害、干旱或其他脅迫條件下會產(chǎn)生一些與損傷相關(guān)的植物激素和信號分子，如茉莉酸、茉莉酸甲酯、水楊酸等，從而激活植物體內(nèi)防御基因的表達，提高抗脅迫的能力。通過對這些信號分子的檢測，可以對植物的健康狀況作出診斷，但普通的電化學(xué)傳感器難以對這些信號分子進行檢測。Wang等采用循環(huán)伏安法，用普通的金電極沒有從感染了核盤菌的油菜種子中檢測到明顯的氧化峰，幾乎檢測不到水楊酸的存在，而采用同樣的方法利用銅納米顆粒修飾的金電極則檢測到了明顯且穩(wěn)定的氧化峰，且測得的水楊酸的濃度與采用高效液相色譜-紫外檢測法測得的值非常接近[32]。

除此之外，植物在感染某種病原菌的情況下會產(chǎn)生一些特殊的揮發(fā)性物質(zhì)，通過檢測這些揮發(fā)性物質(zhì)可以推測植物是否感染了某種病原菌。4-乙基愈創(chuàng)木酚是疫病病原菌（Phytophthora cactorum）產(chǎn)生的標志性揮發(fā)物，通過檢測該物質(zhì)可以推測疫病病菌的存在情況。Fang等利用基于二氧化鈦或二氧化錫修飾的絲網(wǎng)印刷碳電極成功地從感染了疫病病原菌的植物中檢測到了4-乙基愈創(chuàng)木酚[33]。

3施用納米肥料，提高作物的抗病能力

作物的病害有生理性病害（缺素癥）和非生理性病害。生理性病害一般是由于缺少某些營養(yǎng)元素造成的，非生理性病害是由于受到病原菌的侵染造成的，作物一旦發(fā)生生理性病害就容易發(fā)生非生理性病害。一般來說，具有最佳營養(yǎng)狀態(tài)的植物具有最大的抗病力。因此，給予農(nóng)作物全面、合理的營養(yǎng)，提高作物對病害的抵抗力，也是作物病害防治的一個重要方面[34]。

納米肥料是指納米材料技術(shù)構(gòu)建、醫(yī)藥微膠囊技術(shù)和化工微乳化技術(shù)改性而形成的肥料，由于納米肥料具有普通肥料不具備的優(yōu)點，目前已引起了廣大的關(guān)注并投入了商品化生產(chǎn)。從植物營養(yǎng)的角度來看，目前生產(chǎn)的納米肥料可大體分為大量元素納米肥料、微量元素納米肥料、納米材料增強劑肥料、植物促生長納米材料4類[35-36]。

3.1大量元素納米肥料

大量元素納米肥料是指含有氮、磷、鉀、鎂、鈣、硫等大量元素中的1種或幾種元素的納米肥料。傳統(tǒng)的大量元素肥料在施用過程中，有40%～70%的氮肥、80%～90%的磷肥、50%～90%的鉀肥流失到環(huán)境中[37-38]，由于作物在生長過程中對大量元素的大量需求，預(yù)測到2050年作物對大量元素的需求將達到263 Mt[39]。因此，對大量元素納米肥料的開發(fā)是納米肥料中優(yōu)先考慮的對象。目前已開發(fā)的大量元素納米肥料主要有氮納米肥料、磷納米肥料、鈣納米肥料、鎂納米肥料等。這些大量元素納米肥料的開發(fā)既減少了普通氮肥、磷肥、鉀肥的使用量，又減少了面源污染的發(fā)生。

3.2微量元素納米肥料

微量元素錳、銅、鋅等在作物抵御病害方面有非常重要的作用，這主要是因為與植物防御反應(yīng)相關(guān)的酶，如苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶必須要在這些微量元素存在的情況下才能被激活[40]。然而，全球50%的土壤存在微量元素含量過低的問題，尤其是中性和堿性土壤，因此為了保證作物正常地生長，必須要依靠人工施肥來補充微量元素，而施用普通的肥料能被作物利用的微量元素小于5%[41-42]。目前已開發(fā)的微量元素納米肥料主要有鐵納米肥料、錳納米肥料、銅納米肥料、鋅納米肥料、鉬納米肥料等[42-43]。微量元素納米肥料的開發(fā)可提高作物對微量元素的利用率，增加作物的產(chǎn)量，減少病害的發(fā)生。

3.3納米材料加強型肥料

納米材料加強型肥料是指將一些材料加工成納米級別后用于裝載或包膜肥料，這些材料本身雖然不能給植物提供營養(yǎng)，但經(jīng)過納米材料裝載或包膜后的肥料吸附性能增強，揮發(fā)量減少，能迎合土壤與作物的需肥規(guī)律可控釋放，作物對其利用率也大幅提高。目前報道的裝載或包膜各種肥料的納米材料有高嶺土、沸石、高分子樹脂等。值得一提的是，沸石被加工成納米級后由于具有比表面積大、陽離子交換量高且對大量元素（如K+、NH+4等）具有很高的選擇性等特點，常被用于氮肥、鉀肥等各種肥料的載體，經(jīng)納米沸石裝載的肥料在室內(nèi)盆栽試驗和大田試驗中都表現(xiàn)出了很好的促生作用，有效地減少了肥料的流失[36]。

3.4促生型納米材料

研究發(fā)現(xiàn)，有的納米材料本身既不是植物大量元素和微量元素的來源，也不作為肥料的載體，但施用這些納米材料后卻能促進作物的生長，如納米二氧化鈦、納米硅、碳納米管等。鈦并不是植物生長所必需的元素，土壤中也不須要添加額外的鈦。但已經(jīng)有多個研究報道納米鈦具有明顯的促生長作用，Yang等將2.5 g/L納米二氧化鈦溶液處理菠菜的種子，待發(fā)芽后再用2.5 g/L二氧化鈦溶液噴施葉片后發(fā)現(xiàn)與用非納米二氧化鈦相比，處理組菠菜中的生物量明顯增加，且菠菜葉片中總氮、葉綠素、蛋白質(zhì)的含量分別增加23%、34%、13%[44]。Jaberzadeh等分別用0.01%、0.02%、0.03%納米二氧化鈦噴施小麥葉片后發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，小麥的生物量和產(chǎn)量都明顯增加[45]。

硅也不是植物生長過程中的必需元素，但它能通過影響植物中其他元素如碳、氮、磷的代謝，促進作物種子的萌發(fā)和作物的生長。Suriyaprabha等將1%納米硅懸浮液添加到含玉米的霍格蘭水培液中，與對照組相比，處理組的玉米種子中各種大量元素和微量元素含量發(fā)生了明顯的變化，但總的來看，處理組中玉米種子的萌發(fā)率提高了95.5%，玉米干質(zhì)量增加了6.5%[46]。

研究表明，碳納米管也能促進各種作物種子的萌發(fā)和生長。Lahiani等以大麥、大豆、玉米種子作為試驗對象，將多壁碳納米管添加到MS培養(yǎng)基中或者作為種子包衣處理上述不同作物種子，發(fā)現(xiàn)處理組種子的發(fā)芽率明顯高于對照組[47]。Tiwari等也發(fā)現(xiàn)，碳納米管在低濃度下能促進小麥種子的生長[48]。

4結(jié)語與展望

利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)培育出具有抗病害能力的農(nóng)作物新品種是農(nóng)作物病害防治的一個重要趨勢，而在轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究中，基因載體扮演著重要的角色，它們不僅明顯影響外源基因的轉(zhuǎn)化效率，而且還會影響外源基因的表達特性。傳統(tǒng)地利用農(nóng)桿菌作為轉(zhuǎn)基因載體存在宿主限制，外源重排率高，容易形成逃逸體、嵌合體等缺點[49]。而最近的研究結(jié)果表明，基于以納米轉(zhuǎn)基因載體的新型轉(zhuǎn)化法與傳統(tǒng)方法相比具有以下優(yōu)點：納米材料具有特殊的磁學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)性能和較多的表面活性基團，便于修飾，可以實現(xiàn)基因靶向遞送或控制釋放；納米材料具有較高的電勢和比表面積，加大了基因載量，提高了基因進入受體細胞的概率；納米材料粒徑很小，容易透過組織進入細胞，增加了基因的遞送效率；納米材料通常具有良好的生物相容性，因而對細胞的生長和代謝有較小的影響[49-50]。因此，以納米材料介導(dǎo)外源基因的新型轉(zhuǎn)化法為植物基因轉(zhuǎn)導(dǎo)提供了一個新的工具，目前該方法在植物轉(zhuǎn)基因中備受關(guān)注，已有不少關(guān)于利用納米基因載體成功用于植物轉(zhuǎn)基因的報道[51-53]，但利用納米基因載體培育具有抗病害能力的轉(zhuǎn)基因作物還未見報道，這是一個值得未來探討和研究的方向。

此外，納米材料因其小尺寸、表面效應(yīng)等特殊性質(zhì)容易被植物吸收，并能通過食物鏈富集和傳遞，能透過人體解剖學(xué)屏障，因此，納米材料可能存在潛在的安全性問題[54]。但目前國際上對納米材料的安全性評價尚沒有統(tǒng)一的標準[55]。因此，一方面，應(yīng)盡量選擇無毒生物相容性高、可生物降解的納米材料；另一方面，應(yīng)盡快弄清納米材料與植物的相互作用關(guān)系及其向食物中的遷移途徑，建立定量的方法和模型，不斷完善安全性評價工作和使用規(guī)范。

總之，由于納米材料特殊的性能，利用納米技術(shù)對作物病害進行預(yù)防和治理，有利于病害的早發(fā)現(xiàn)、早控制，能減少化學(xué)農(nóng)藥和化學(xué)肥料的使用，能彌補化學(xué)農(nóng)藥防治或生物防治存在的不足，提高作物病害的防治效率。這對減少農(nóng)業(yè)開支、實現(xiàn)作物增產(chǎn)以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境的保護等具有重要的意義。

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