MOF-聚多巴胺纳米颗粒协同增强RNAi递送与肠道菌群调控实现高效生物农药应用

为解决鳞翅目害虫RNA干扰(RNAi)效率低下的难题，研究人员开发了ZIF-8@PDA纳米载体系统，通过双重机制提升防治效果：1）保护dsRNA免受酶解并激活内吞/吞噬体通路增强递送效率；2）诱导害虫肠道Serratia marcescens过度增殖，抑制宿主ROS免疫反应并激活植物防御。该研究为绿色农药设计提供了纳米-微生物协同作用新范式，发表于《Nature Communications》。

　　

鳞翅目害虫如草地贪夜蛾(Spodoptera frugiperda)每年造成全球10-30亿美元经济损失，传统化学农药面临抗药性与环境压力。尽管RNA干扰(RNAi)技术具有靶向性强、环境友好等优势，但其在鳞翅目昆虫中递送效率低下，主要受限于dsRNA的酶解失活和细胞摄取障碍。此外，害虫肠道微生物与宿主的互作机制尚未被充分挖掘用于协同防治。

福建农林大学的研究团队通过设计ZIF-8@PDA纳米载体系统，突破性地解决了上述难题。该研究创新性地将金属有机框架(MOF)材料与聚多巴胺(PDA)结合，构建了具有pH响应特性的核壳结构纳米颗粒，在保护dsRNA的同时激活害虫细胞内吞通路。更引人注目的是，该系统意外发现能特异性富集肠道致病菌Serratia marcescens，通过"激活-抑制"双相调控宿主免疫反应，并增强植物茉莉酸(JA)防御途径。这项跨学科研究为农业害虫绿色防控提供了全新策略，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究采用的关键技术包括：1）ZIF-8@PDA纳米载体自组装与表征（SEM/TEM/ITC）；2）草地贪夜蛾无菌种群构建与微生物定植实验；3）转录组测序(RNA-seq)分析内吞/吞噬体通路；4）SM_FJ07菌株全基因组测序与prodigiosin合成基因簇鉴定；5）植物防御激素(JA/SA)与苯并恶唑嗪类次生代谢物检测。

纳米载体特性与递送机制
通过扫描电镜(SEM)显示dsGFP@ZIF-8@PDA呈109.08±0.8 nm的规则球形，等温滴定量热(ITC)证实Zn²⁺与2-甲基咪唑(2-mlm)的强结合力(K_d=1.5×10^-6 M^-1)。体内实验表明纳米载体使中肠Cy3-dsGFP荧光强度提升12.33倍，Sf9细胞摄取效率提高357.9倍。RNA-seq揭示纳米颗粒显著上调网格蛋白(Chc)、Rab7等内吞通路基因，以及F-actin、V-ATPase-A等吞噬体相关基因表达。

协同杀虫效应
喷洒dsCHS@ZIF-8@PDA使草地贪夜蛾6日死亡率达69%（对照组仅9%），并导致围食膜溶解。16S测序显示处理组肠道Serratia相对丰度从0.1%激增至47.8%，而共生菌Enterococcus mundtii从85%降至32%。无菌种群实验证实S. marcescens接种使死亡率进一步降低至26.7%，显著低于E. mundtii组(55.3%)。

免疫调控机制
纳米载体诱导的ROS爆发激活Toll/IMD通路（β-1,3-GBP1上调4.2倍），但48小时后S. marcescens分泌的prodigiosin使ROS水平抑制63%。基因回补实验显示PigC缺失突变体丧失免疫抑制能力，证实该氧化还原酶是prodigiosin合成的关键。

植物防御增强
S. marcescens定植使害虫唾液葡萄糖氧化酶(GOX)活性提升3.1倍，诱导玉米叶片多酚氧化酶(PPO)活性增加1.83倍，JA含量上升2.4倍。预处理ZIF-8@PDA的植株中防御性苯并恶唑嗪DIMBOA-Glc积累量达对照组的8.7倍。

该研究开创性地揭示了纳米材料-微生物-植物三方互作机制：ZIF-8@PDA不仅作为高效RNAi载体，更通过调控肠道菌群组成产生"一石三鸟"效应——增强基因沉默效率、削弱害虫免疫、激活植物防御。这种多靶点协同策略为克服害虫抗药性提供了新思路，其设计的pH响应型纳米载体（成本约6100美元/吨）具备田间应用潜力。研究还警示需平衡纳米材料生物安全性，斑马鱼实验显示ZIF-8@PDA的整合生物标志物响应指数(IBR)较ZIF-8降低72%，为纳米农药风险评估提供了重要数据。