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为解决烟草受蚜虫等害虫侵害导致产量和品质下降的问题，研究人员开展硅包覆碳量子点（SiO?@CDs）纳米材料介导烟草抗虫性的研究。发现喷施 100 mg/L SiO?@CDs 可显著促进烟草生长、控制蚜虫种群，激活物理及化学防御机制，且生物安全性高，为害虫防治提供新方向。
在农业生产的广袤舞台上，烟草作为兼具经济价值与科研潜力的重要作物，正面临着害虫侵袭的严峻挑战。蚜虫等刺吸式害虫如同贪婪的掠夺者，不仅直接啃食叶片、汲取养分，还会传播病毒，导致烟草产量锐减、品质下降。传统的化学农药虽能暂时遏制虫害，却如同双刃剑，不仅破坏生态平衡、威胁人类健康，还易使害虫产生抗药性，陷入 “用药 — 耐药 — 再用药” 的恶性循环。如何在保护作物与守护生态之间找到平衡？开发环境友好、高效安全的新型抗虫策略，成为农业领域亟待攻克的难题。
为突破这一困局，贵州大学的研究人员将目光投向了纳米材料的奇妙世界，开展了硅包覆碳量子点（SiO?@CDs）纳米材料介导烟草抗虫性的研究。他们历经多次实验探索，成功揭示了 SiO?@CDs 在烟草抗虫领域的卓越潜力，相关成果发表在《Journal of Nanobiotechnology》。
研究人员采用了一系列关键技术方法来揭开 SiO?@CDs 的抗虫奥秘。通过透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等表征手段，确认了 SiO?@CDs 的成功合成与独特结构；运用温室盆栽实验，对比研究了不同纳米材料处理下烟草的生长状况与蚜虫种群动态；借助酶活性测定试剂盒，分析了抗氧化酶（如超氧化物歧化酶 SOD、过氧化物酶 POD）活性及丙二醛（MDA）含量的变化；利用代谢组学和转录组学测序技术，深入挖掘了烟草在分子水平上的抗虫响应机制；通过生物安全性评估实验，检测了 SiO?@CDs 对非靶标生物（如蚯蚓、斑马鱼、瓢虫）及人类细胞的毒性影响。
纳米材料的成功合成与特性表征
研究通过简单的溶胶 - 凝胶法成功合成了 SiO?@CDs 复合材料。TEM 和 SEM 图像显示，CDs 和 SiO?均呈均匀球形，SiO?@CDs 则呈现出 CDs 被包裹于 SiO?内部的独特结构。FT-IR 光谱证实了 CDs 与 SiO?的成功结合，X 射线衍射（XRD）、紫外 - 可见光谱（UV-vis）等进一步验证了复合材料的化学组成与光学性质。接触角测量和表面张力分析表明，SiO?@CDs 在烟草叶片表面具有优异的润湿性和分散性，其接触角仅为 60.96°，显著低于 CDs 和 SiO?单独处理组，这为其在叶片表面的有效附着与作用奠定了基础。热重分析（TGA）显示，SiO?的包裹显著提高了 CDs 的热稳定性，使其在高温环境下的降解率大幅降低，光稳定性实验也证实了 SiO?@CDs 在紫外和可见光照射下的降解率远低于 CDs，展现出良好的环境相容性。
SiO?@CDs 对烟草生长的促进作用
在温室研究中，无论是在无蚜虫胁迫还是有蚜虫胁迫的条件下，喷施 100 mg/L 的 SiO?@CDs 均能显著促进烟草的生长。无蚜虫胁迫时，SiO?@CDs 处理组烟草的鲜重增加量（ΔFW）和干重（DW）分别较对照组提高了 53% 和 21%；在蚜虫侵染条件下，尽管生长促进效果略有降低，但仍显著优于对照组。光合参数测定表明，SiO?@CDs 处理组的净光合速率（Pn）和叶绿素含量（SPAD）与 CDs 处理组无显著差异，说明 CDs 的光合作用增强能力在复合后得以保留，为烟草的生长提供了充足的能量和物质基础。
增强烟草对蚜虫的抗性
通过叶片浸渍法的体外杀虫活性测试发现，低浓度（≤100 mg/L）的 SiO?@CDs 对蚜虫无直接毒性，但当喷施于烟草植株后，却能显著降低蚜虫种群数量。7 天的蚜虫侵染实验结果显示，SiO?@CDs 处理组的成年蚜虫死亡率高达 71%，显著高于 CDs（39%）和 SiO?（44%）单独处理组。进一步研究表明，SiO?@CDs 通过双重机制增强烟草抗性：一方面，SiO?促进硅在烟草叶片中的积累，增加细胞壁的硬度和厚度，形成物理防御屏障；另一方面，CDs 激活烟草的化学防御反应，诱导水杨酸（SA）等植物激素的合成，上调防御相关基因的表达，同时增强抗氧化酶（SOD、POD）的活性，减少蚜虫侵染引起的氧化应激和 MDA 积累，从而有效抑制蚜虫的生长与繁殖。
分子机制的深入解析
代谢组学和转录组学分析揭示了 SiO?@CDs 诱导烟草抗虫性的复杂分子网络。代谢组学检测到 3856 种代谢物，其中 271 种上调、159 种下调，差异代谢物主要富集于淀粉和蔗糖代谢、苯丙氨酸代谢等通路，表明 SiO?@CDs 通过调节能量代谢和次生代谢产物合成增强抗虫性。转录组学筛选出 571 个差异表达基因（DEGs），其中 406 个上调、165 个下调，KEGG 通路富集显示，植物激素信号转导、光合作用、氧化还原过程等通路被显著激活。具体而言，生长素信号相关基因（如 SAUR64、IAA7）的上调促进了植物生长，细胞壁强化相关基因（如 Atg64390、PME34）的表达增强了物理防御，抗氧化酶相关基因（如 PER63、GPX3）的激活提高了清除活性氧（ROS）的能力，而 programmed cell death 相关基因（如 PLAT1、PR-3.5）的诱导则启动了植物的自我防御程序。
生物安全性评估
在生物安全性方面，SiO?@CDs 展现出显著优势。对土壤生物蚯蚓的急性毒性实验表明，即使在 1000 mg/L 的高浓度下，7 天和 14 天的存活率均超过 90%，属于低毒性级别；对水生生物斑马鱼的测试显示，在 0.1-100 mg/L 浓度范围内，96 小时存活率高于 80%；对天敌昆虫瓢虫的接触毒性实验中，最高浓度处理组的存活率仍达 87%，与对照组无显著差异。细胞毒性实验显示，SiO?@CDs 对人类 L02 肝细胞的毒性极低，即使在 1000 mg/L 浓度下，细胞存活率仍超过 85%，流式细胞术和荧光染色实验也证实其对细胞凋亡无显著影响。
这项研究成功开发了一种兼具高效抗虫与环境安全特性的纳米材料 ——SiO?@CDs，其通过物理屏障强化与化学防御激活的双重机制，为烟草害虫防治提供了创新解决方案。研究结果不仅拓展了纳米材料在农业领域的应用场景，也为开发绿色、可持续的作物保护策略开辟了新路径。尽管大规模应用前仍需解决合成工艺优化、长期生态影响评估等问题，但其展现出的多重优势，预示着在未来的农业生产中，SiO?@CDs 有望成为替代传统化学农药的重要选择，为守护作物健康、构建和谐农业生态系统贡献力量。
