赤霉素纳米递送系统提升葡萄果实品质、产量与果梗强度的研究

《Journal of the Science of Food and Agriculture》：Polymeric nano-delivery of gibberellic acid enhances fruit quality, yield and pedicel strength in grapevine (Vitis vinifera L.)

　　

摘要 背景：纳米颗粒系统为农用化学品的靶向递送及功效增强提供了有效策略。本研究旨在合成并表征负载赤霉素（GA3）的聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米颗粒（PLGA NPs），并评估其施用于'无核白'葡萄（Vitis vinifera L. Thompson Seedless）花穗后对果穗及浆果性状的影响。 结果：负载GA3的PLGA NPs平均粒径为217.7 ± 4.2 nm，Zeta电位为?16.2 ± 1.74 mV，多分散指数（PDI）为0.294 ± 0.015。反应产率、包封效率（EE）和载药量（LC）分别为27.14%、51.02%和67.13%。傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析证实GA3成功包封于PLGA基质中；释放研究表明，包封的GA3在96小时内释放65%，随后释放速率显著减缓。田间应用结果表明，与游离GA3处理相比，负载GA3的PLGA NPs显著增加了果穗重量（104%）和长度（67%），而浆果重量、长度和宽度分别增加了15%、4%和13%。该处理还显著提高了可溶性固形物（TSS）和可滴定酸度（TA），表明果实成熟度得到改善。与常规GA3施用（在某些品种中可能降低果梗脱离力）不同，纳米颗粒制剂使果梗脱离阻力较对照组和游离GA3处理分别提高了8%和25%，提示其可降低采后落粒风险。 结论：研究结果首次证明，负载GA3的PLGA NPs能够改善葡萄产量和品质参数，并凸显了其作为可持续农业生产中一种有前景且环境友好型方法的潜力。? 2026作者。Journal of the Science of Food and Agriculture由John Wiley & Sons Ltd代表化学工业学会出版。

论文解读：基于PLGA纳米颗粒的赤霉素递送系统对葡萄果实品质、产量及果梗强度的影响

一、研究背景与目的

葡萄（Vitis vinifera L.）作为全球广泛栽培的经济园艺作物，其果实可用于鲜食、酿酒、制干等多种用途。在葡萄栽培中，植物生长调节剂（PGRs）是重要的管理工具，广泛应用于种子萌发、开花、果实发育与成熟等环节。赤霉素（GA₃）作为应用最广泛的PGRs之一，在葡萄生产中常被用于增加果穗重量和长度、促进浆果膨大、维持果汁成分稳定以及促进开花和坐果。

然而，GA₃在实际应用中面临显著挑战：其对热和光高度敏感，在中性和碱性条件下会迅速降解，导致生物活性丧失；传统剂型（如粉剂、乳油、可湿性粉剂）需要多次施用，利用效率低下。纳米颗粒系统通过可控释放、提高活性化合物溶解度并保护其免受过早降解，为解决上述问题提供了有效途径。聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）作为一种FDA和EMA批准的生物可降解、生物相容性聚合物，已在药物递送领域广泛应用，并已被证实可被植物通过根系和气孔吸收并经由维管系统转运。

本研究旨在将GA₃包封于PLGA纳米颗粒（PLGA NPs）中，对合成的纳米颗粒进行表征，并在温室条件下评估其对葡萄果实发育的影响，以探索该递送系统在葡萄栽培中的农业应用潜力。

二、主要关键技术方法

研究人员采用油包水（o/w）单乳液溶剂蒸发法合成负载GA₃的PLGA NPs。纳米颗粒的表征涉及动态光散射（DLS）技术测定粒径、Zeta电位和PDI，扫描电子显微镜（SEM）观察表面形态，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析化学官能团，以及液相色谱-质谱联用（LC-MS）进行体外释放研究。田间试验在塞尔丘克大学农学院园艺系玻璃温室中进行，选取24个大小均匀、花期一致的'无核白'葡萄果穗，随机区组设计，设对照、PLGA NPs、游离GA₃（60 ppm）和负载GA₃的PLGA NPs（含60 ppm GA₃）四个处理，每处理6次重复，于开花初期采用手持喷雾器单次施用，商业成熟期采收后进行物理和生化参数测定。

三、研究结果

纳米颗粒的理化特性

负载GA₃的PLGA NPs平均粒径为217.7 ± 4.2 nm，Zeta电位为?16.2 ± 1.74 mV，PDI为0.294 ± 0.015。反应产率为27.14%，包封效率为51.02%，载药量为67.13%。与空载PLGA NPs（354.2 nm）相比，GA₃负载使粒径减小，归因于疏水性GA₃分子通过疏水相互作用使纳米颗粒核心更加致密。负Zeta电位表明排斥力占主导，增强了颗粒分散性和胶体稳定性。

SEM与FTIR分析

SEM图像显示纳米颗粒呈球形、表面光滑、粒径分布相对均匀。FTIR光谱分析显示，负载GA₃的PLGA NPs光谱与空载PLGA NPs相似，表明GA₃成功包封于纳米颗粒基质内部而非表面吸附，同时观察到特征峰位移和强度变化，支持GA₃与PLGA之间的物理相互作用。

体外释放研究

LC-MS释放研究表明，GA₃释放呈两相模式：最初数小时快速释放，随后释放速率减缓，96小时后累计释放达65%，之后不再释放。该行为可解释为表面附近GA₃分子的初始快速释放，随后通过扩散和聚合物基质缓慢溶解实现受控释放。

对果穗物理参数的影响

负载GA₃的PLGA NPs处理获得最高果穗重量（301.08 g），较对照（78.29 g）显著增加，较游离GA₃处理（147.15 g）提高104%。果穗长度方面，该处理达22 cm，为对照（10.66 cm）的两倍，且与其他处理差异显著。果穗宽度虽有所增加，但各处理间无显著差异。

对浆果物理参数及力学特性的影响

负载GA₃的PLGA NPs处理使十果重量（64.02 g）、浆果长度（21.09 mm）和宽度（14.61 mm）均显著高于其他处理，较游离GA₃处理分别增加15%、4%和13%。果梗脱离力方面，游离GA₃处理最低（202 gf），而负载GA₃的PLGA NPs处理（251 gf）较对照（232 gf）提高8%，较游离GA₃处理提高25%。空载PLGA NPs处理获得最高果梗脱离力（256 gf）。果皮抗裂力各处理间无显著差异。

对浆果生化参数的影响

负载GA₃的PLGA NPs处理获得最高可溶性固形物含量（21.33 °Brix），显著高于其他处理。可滴定酸度方面，对照最高（0.48%），负载GA₃的PLGA NPs处理为0.42%，游离GA₃处理最低（0.34%）。成熟指数（TSS/TA比值）方面，游离GA₃处理最高（53.15），负载GA₃的PLGA NPs处理（50.78）与其无显著差异。

四、讨论与结论

讨论部分指出，负载GA₃的PLGA NPs在果穗和浆果性状方面均优于游离GA₃处理，其优势归因于PLGA包封对GA₃的保护作用（防止光降解、热不稳定和水解）以及受控缓释特性。纳米颗粒粒径（约218 nm）处于植物气孔和根部吸收的最适范围（<300 nm），负电荷表面通过静电相互作用增强与植物表面的附着和保留。与已有壳聚糖、海藻酸盐等GA₃纳米制剂相比，PLGA体系具有可调降解速率、对疏水分子高包封效率以及由聚合物溶蚀和扩散机制控制的释放行为等优势。空载PLGA NPs处理也表现出增强果梗脱离力的效果，提示PLGA结构本身可能对此有贡献。GA₃处理导致果梗脱离力下降与文献报道一致，而纳米制剂通过缓释维持较低浓度可能影响与果梗脱离相关的木质素生物合成基因表达。

研究结论指出，PLGA NP递送系统是可持续农业实践中更高效利用农用化学品的有前景的替代方案。本研究首次在温室条件下评估了负载GA₃的PLGA NPs在葡萄上的效果。GA₃成功包封于PLGA NPs中，形成单分散结构，平均粒径217.7 ± 4.2 nm，PDI为0.048，Zeta电位?16.2 mV。田间应用表明，负载GA₃的PLGA NPs处理显著改善了果穗和浆果品质，更重要的是，它缓解了传统GA₃施用带来的果梗附着减弱和采后损失等负面影响，通过受控释放促进更稳定的组织发育，显著提高了浆果脱离强度，凸显了其在葡萄栽培中的重要农艺优势。