化不利为有利,高温/pH响应的新型纳米农药

作物栽种也追求“天时地利”,其中温度就是一个很重要的因素,过高的温度在农业上称之为“热害”,不仅会使叶绿素被破坏,有机物的运输受阻,最终导致作物产率低,影响生产力;还会导致作物“抵抗力”降低,对于外界生物或非生物的侵害更加敏感。目前市面上不缺少相关农用化学品,但是在活性剂利用率方面却乏善可陈:因植物天然屏障的作用,仅0.1%的有效成分达到植物内部,其余进入环境,对水和土壤造成污染。因此,卡内基梅隆大学Gregory V. Lowry教授等人开发出一种随pH与温度响应的农药载体:聚(丙烯酸)-嵌段聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PAA-b-PNIPAm),该载体可有效通过叶片进入植物体内,到达靶向位置,并在一定pH和温度环境下精确释放农药,从而实现有效治疗。该成果以“Temperature and pH Responsive Star Polymers as Nano-Carriers with Potential for In Vivo Agrochemical Delivery”为题于2020年7月6日发表于《ACS NANO》

《ACS Nano》 :化不利为有利,高温/pH响应的新型纳米农药

1、PAA-b-PNIPAm星形聚合物的合成

如图1所示,利用“先核”法,制备了具有相同PAA和4种不同PNIPAm嵌段长度的PAA-b-PNIPAm星形聚合物(m=50,150,300,450),平均粒径30nm及以下,星形聚合物表现出类似于由线性两亲嵌段共聚物形成的胶束结构,但是它不离解,多分散性较聚合物胶束小。

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图1 温度和pH响应型PAA-b-PNIPAm星形聚合物的合成路线

 

2、不同PAA/PNIPAm比例星形聚合物的结晶紫负载及体外控释研究

以结晶紫(CV)为抗菌剂,通过CV胺基与PAA中羧基的静电吸引成功将CV负载在聚合物上(图2a)。每个聚合物负载质量在186±63至263±54 mg CV g-1之间,高PNIPAm含量的聚合物CV负载量降低。如图2b,c所示,同pH同T下,PAA50-bPNIPAm50比PAA50-b-PNIPAm450释放出更多的CV。PAA50-bPNIPAm50在pH为6.0和7.5时表现出明显的温度响应CV释放;对于PAA50-b-PNIPAm450而言,pH为4.5和6.0时表现出温度响应CV释放。因此,体外释放数据表明,可以根据植物不同部位pH,设计不同PAA/PNIPAm比例的载体,灵活实现不同部位下农药的高效释放。

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图2 (a)星型聚合物负载CV的步骤与机理 (b)PAA50-b-PNIPAm50 (c)PAA50-b-PNIPAm450星形聚合物在20℃和40℃下放置24小时后的CV累积释放速率,pH值4.5、6.0或7.5 (d)PAA50-b-PNIPAm50(e)PAA50-bPNIPAm450星形聚合物在24小时内pH值为6.0时的完整CV释放曲线

 

3、星形聚合物在番茄植株中的吸收和运输

以Gd3+为示踪剂,评估植物组织中PAA-b-PNIPAm聚合物的吸收、转运与农药释放。图3a,b所示,当聚合物浓度为1.0 g L-1时,24±6%的PAA50-b-PNIPAm50和14±9%的PAA50-bPNIPAm450聚合物从最初的叶片区运输到其他组织;降低聚合物浓度(图3c,d),转移比率升高,有35±18%的PAA50-b-PNIPAm50和43±21%的PAA50-b-PNIPAm450聚合物有转移现象。

表明PAA-b-PNIPAm聚合物的使用可以有效促进植物将农药向各个组织进行转移,解决了农药不能被植物有效吸收的问题。并且从图3得出,PAA-b-PNIPAm聚合物浓度对植物的转运模式也有影响,较低浓度时,输送到根部的聚合物比例明显增加,而高浓度时聚合物在叶片与茎秆处较多。因此低浓度的聚合物可以更好地进入植物根部,从而被其他组织吸收。

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图3  (a,b)1gL-1与(c,d)200mgL-1浓度的PAA50-b-PNIPAm50与PAA50-b-PNIPAm450聚合物在番茄植株中的组织分布

 

为证明表面活性剂Silwet L-77可增加聚合物吸收,利用增强型暗场显微镜结合高光谱成像技术与叶片进行成像。图4显示了有无表面活性剂处理的叶片组织成像:无Silwet L-77处理的叶片(图4b,c,h,i),载CV的PAA50-b-PNIPAm50与PAA50-b-PNIPAm450聚合物大部分存在于垂周壁(即垂直于径向的细胞壁)、质外体(由细胞壁、细胞间隙和导管组成的系统,运输的主要通道)与角质层(第一道吸收屏障)中间,表明无Silwet L-77处理,聚合物也可以穿过植物的角质层,但是并没有通过表皮层(第二道吸收屏障);当Silwet L-77处理后,发现表皮不存在聚合物(图4e,f,k,l),并且叶片导管周围存在聚合物,表明Silwet L-77处理后,聚合物能够穿透屏障达到叶肉组织,并且聚合物主要通过导管系统运输。上述实验表明,表面活性剂可以改善通透性,增加聚合物在植物中的运输能力,为下一步转运打下基础。

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图4 (a)番茄叶片横截面示意图 (b-m)增强型暗场显微镜和高光谱成像,在有无表面活性剂处理下聚合物在植物中的运输能力

 

4、PAA-b-PNIPAm聚合物在植物体内的温度响应CV释放

将游离CV和负载CV聚合物滴加在叶片上,获得游离CV和CV-star光谱,以检测叶片中的CV是否成功被释放。图5a,b所示,40℃下CV-star光谱要比20℃下CV-star光谱更接近于游离CV的吸收光谱,因此40℃下,CV释放更多,表明PAA-b-PNIPAm聚合物在植物体内具有温度响应型CV释放。

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图5  20℃和40℃下处理16h后叶片CV-star与游离CV比较

 

5、小结

总的来说,PAA-b-PNIPAm星形聚合物在番茄植株中表现出显著的农药负载能力、体内外温度和pH响应释放特性,以及显著的叶片吸收和转运能力,有助于对抗因高温所引起的植物病害。下一步工作是在更多植株上进行应用,对其普适性进行评估,以期成为纳米农药中的新星。

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