手性超分子材料在作物保护中的多功能应用：对映体依赖性叶面亲和性与生物膜破坏机制研究

本研究针对水稻白叶枯病防治中传统农药叶面沉积率低、生物膜屏障导致药效不佳等难题，开发了基于β-环糊精的手性超分子材料AIM-12S/R@β-CD。研究发现R构型材料展现出显著增强的叶面亲和性（接触角降低67°）和生物膜清除能力（12.5μg·mL-1浓度下提升8.5倍），通过破坏病原体Xanthomonas oryzae pv. oryzae(Xoo)的氧化还原稳态和细胞膜通透性，在田间试验中实现52.59%的防治效果，为手性农药设计提供了新范式。

　　

水稻白叶枯病是由Xanthomonas oryzae pv. oryzae(Xoo)引起的全球性毁灭性病害，每年造成20-50%的产量损失，严重时导致绝收。化学防治仍是目前最有效的策略，但面临两大核心挑战：水稻叶片表面的超疏水性使农药沉积率仅约10%，且仅有0.1%的有效成分被吸收；同时，病原菌形成的生物膜保护细菌免受药剂攻击，进一步降低防治效果。虽然添加助剂或使用纳米载体等策略可部分改善这些问题，但存在生态毒性、制备工艺复杂等问题。因此，开发兼具高生物利用度、成本效益、环境可持续性和生物膜破坏能力的多功能农药制剂迫在眉睫。

超分子化学为同时解决这些问题提供了新思路。通过非共价力驱动，客体分子在水介质中与宿主结构自发组装，形成功能性超分子结构，不仅能简化制剂工艺，减少添加剂使用，还能产生宿主和客体单独不具备的协同功能。尽管手性农药在生物活性和环境效应方面通常表现出对映体特异性，但手性在超分子体系中的应用，特别是在农业领域，仍处于起步阶段。值得注意的是，当前研究多关注手性对生物活性的影响，而对手性在叶面亲和性（生物利用度）方面的作用研究相对不足，尽管这对环境健康和人类健康至关重要。

在这项发表于《Nature Communications》的研究中，研究人员设计并合成了一系列带有手性中心的长链阳离子客体分子AIM-12S/R，并以成本效益高、环境友好的β-环糊精(β-CD)为宿主支架，通过主客体识别构建了手性超分子材料AIM-12S/R@β-CD。研究首次揭示了手性超分子材料在农业系统中的对映体依赖性行为，特别是在生物利用度、抗生物膜活性和体内功效方面的差异。

研究主要采用了以下关键技术方法：通过扫描电子显微镜(SEM)和动态光散射(DLS)表征材料形态和粒径分布；利用紫外-可见滴定、核磁共振氢谱(¹H NMR)和高分辨质谱(HRMS)分析主客体组装行为和结合常数；通过接触角测量和表面张力分析评估叶面亲和性；采用结晶紫染色、激光共聚焦显微镜(CLSM)和菌落计数法评价生物膜抑制和清除能力；通过活性氧(ROS)检测、酶活性测定和电导率测量探究抗菌机制；使用标准叶片剪切接种法进行田间防效试验。

结果与发现

手性分子的设计与体外活性评价

研究人员设计了一种创新的手性抗菌结构，整合了偶氮苯作为β-CD识别模块，末端引入异丙醇胺以方便地引入手性碳中心，同时加入了带正电的咪唑阳离子（ known for its ability to bind to the negatively charged biofilm extracellular matrix, disrupt the biofilm structure, and inactivate the bacteria）和长链部分（以增强化合物的生物利用度）。通过成本效益高的功能片段连接和堆叠，成功设计出一类兼具立体特异性、抗菌效力和抗生物膜活性的分子。其中，碳链长度为12的化合物AIM-12R和AIM-12S表现出最显著的抗菌活性，EC₅₀值分别为1.24μg·mL^-1和1.68μg·mL^-1，优于商品化药剂噻菌铜(TC)和春雷霉素(KSM)。

手性超分子材料的制备与表征

AIM-12S/R@β-CD的制备简单高效，通过将AIM-12S/R的乙腈溶液滴加至含β-CD的去离子水中，经剧烈搅拌和自然蒸发得到超分子组装体。SEM显示客体分子AIM-12S和AIM-12R呈现不同厚度的片状结构，粒径分别为1641nm和1275nm；而与β-CD复合后，AIM-12S@β-CD转变为棒状针形结构，AIM-12R@β-CD呈现薄膜结构，峰值粒径分别为361nm和326nm，表明β-CD包封增强了客体分子在水介质中的分散性，且R构型超分子材料表现出更好的分散性。

紫外滴定实验表明AIM-12S/R与β-CD以1:1化