《New Plant Protection》：Applications of nanocarrier-delivered RNA interference in agricultural biological control (2009–2025)
编辑推荐：
基于RNA干扰（RNA interference, RNAi）的农药因其高度的靶标特异性和环境安全性，在可持续农业中展现出巨大潜力。纳米载体介导的递送系统能够显著提高基因沉默效率，因而成为研究热点。本研究对Web of Science数据库中自该领域起步至20
基于RNA干扰（RNA interference, RNAi）的农药因其高度的靶标特异性和环境安全性，在可持续农业中展现出巨大潜力。纳米载体介导的递送系统能够显著提高基因沉默效率，因而成为研究热点。本研究对Web of Science数据库中自该领域起步至2025年间收录的关于纳米载体递送RNAi农药（nanocarrier-delivered RNAi pesticides, NDRPs）的文献进行了定量分析。对215篇文献的分析显示，NDRPs已在昆虫、真菌、卵菌、螨类、蜱类、病毒、线虫及植物中开展研究，其中昆虫是研究最为深入的类群。星形聚阳离子（star polycation, SPc）、壳聚糖（chitosan, CS）、脂质基及碳基材料是最为有效的纳米材料，已应用于61种昆虫中的50种，其中SPc和CS应用最为广泛。最常被靶向的基因编码几丁质合成酶（chitin synthase, CHS）、细胞色素P450（cytochrome P450, CYP450）及液泡ATP酶（vacuolar ATPase, V-ATPase）。然而，利用纳米载体递送RNAi实现害虫完全死亡的情况仍较为罕见。真菌和卵菌是另一研究较为深入的类群，层状双氢氧化物纳米片（layered double hydroxide, LDH）和碳点纳米颗粒（carbon dot, CD）在其中得到广泛应用且效果显著。研究人员进一步讨论了靶标基因与纳米载体的选择策略、当前面临的挑战（包括田间条件下的稳定性及监管障碍）以及未来研究方向（如多种协同策略的整合）。上述发现为推进NDRPs研究及实际应用提供了有价值的指导。
一、研究背景与问题提出
化学农药在农业生产中被广泛用于防控生物胁迫因子，包括杀虫剂、杀菌剂、除草剂及相关产品，已成为作物保护和产量提升不可或缺的手段。然而，化学农药日益密集和长期的使用导致农药残留在土壤、水体和作物中累积，这些残留物可能通过食物链进入人体，对人类健康构成显著风险。同时，害虫抗药性和害虫再猖獗现象日益普遍，导致害虫防治效果显著下降。
基于RNA的农药被称为“农药史上的第三次革命”，因其具有特异性强、效率高和环境友好等优势。这类农药主要通过RNA干扰（RNA interference, RNAi）机制发挥作用，即通过沉默靶标生物体内必需基因的表达，扰乱其发育或导致其死亡。因此，RNAi为防治害虫、螨类、线虫和植物病原体提供了有前景的手段，同时可减少对传统化学农药的依赖，支持更可持续的农业实践。2023年，美国环境保护署（EPA）注册了Calantha?，一种可喷施的RNAi生物杀虫剂，其活性成分为新型双链RNA（double-stranded RNA, dsRNA）ledprona，特异性靶向科罗拉多马铃薯甲虫（Leptinotarsa decemlineata）的蛋白酶体亚基β5型（proteasome subunit beta type-5, PSMB5）基因。
尽管RNAi农药潜力巨大，但其在害虫和病原体管理中仍存在若干局限性，尤其是对顽固物种的防效不佳。导致防效受限的因素包括：dsRNA被环境和内源性核酸酶快速降解、因内体滞留导致的胞质释放效率低下、以及dsRNA的细胞运输和系统转运受限。因此，需要有效的dsRNA递送系统来同时提高RNAi制剂的稳定性和递送效率。
二、研究内容与主要结论
纳米载体越来越多地被用于提高dsRNA的稳定性和摄取效率，从而增强杀虫活性。多种纳米材料已被评估作为核酸递送系统，包括碳纳米管（carbon nanotubes, CNTs）、石墨烯量子点（graphene quantum dots, GQDs）、碳点（carbon dots, CDs）、壳聚糖（chitosan, CS）、树枝状聚合物、含胍聚合物、星形聚阳离子（star polycation, SPc）、聚合物包覆羟基磷灰石、聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米颗粒、介孔二氧化硅纳米颗粒、二氧化硅纳米粉、脂质体纳米颗粒、肽胶囊、层状双氢氧化物（layered double hydroxide, LDH）纳米片、高岭石纳米黏土（kaolinite nanoclay, KNC）、金属有机框架、果蝇X病毒来源的病毒样颗粒（virus-like particles, VLPs）以及嵌段共聚物等。这些材料能够保护核酸并促进其递送，用于植物病虫害防治。纳米载体介导的RNA递送以沉默靶标生物体内必需基因，已成为RNAi农药研发的重要方向。
鉴于纳米载体递送RNAi农药（nanocarrier-delivered RNAi pesticides, NDRPs）潜在的环境效益及该领域快速增长的关注度，研究人员开展了系统分析，以提供客观可靠的研究全貌。该研究全面分析了截至2025年的NDRPs研究，重点关注靶标物种、纳米载体类型和RNAi靶标基因，为未来研究设计提供循证基础，并识别该领域的关键挑战和研究优先方向。
三、关键技术方法
研究人员采用两种互补的检索策略对Web of Science数据库进行检索，分别于2024年12月31日和2026年3月7日两个时间点采集文献记录，合并去重后进行筛选。仅纳入英文研究型论文。经标题和摘要相关性筛查及全文评估后，最终215篇文献纳入分析。研究人员使用Microsoft Excel对纳米载体、靶标基因和靶标生物数据进行整理和汇总，并利用韦恩图阐明主要纳米载体与昆虫物种数量之间的关系。
四、研究结果
3.1 文献筛选结果
检索策略1在两个时间点分别获得143篇和226篇文献，合并去重后保留226篇；检索策略2分别获得501篇和617篇文献，合并去重后保留659篇。经文献类型限制、重复记录剔除及标题和摘要筛查后，223篇进入全文评估。全文评估中，6篇因仅开展细胞水平实验而未直接评估对靶标生物的防治效果被排除，2篇因对靶标生物无防效被排除。最终215篇文献符合纳入标准。
3.2 纳米载体与靶标生物类型
NDRPs研究涉及多种纳米载体，包括脂质基纳米材料（如脂质体、lipofectamine、细胞外囊泡）、聚合物基纳米材料（如CS、SPc、阳离子树枝状聚合物、聚酰胺-胺树枝状聚合物、聚-L-赖氨酸、聚-L-精氨酸等）、肽基纳米材料（如支链两亲性肽胶囊BAPCs和细胞穿梭肽）、碳基纳米材料（如碳量子点CQDs、氧化石墨烯、GQDs、CNTs）、无机纳米材料（如LDH、KNC、磷酸钙和二氧化硅）、有机-无机杂化材料（如沸石咪唑酯骨架结构-8和聚乙烯亚胺功能化金纳米颗粒）、VLPs以及RNA/DNA纳米结构。
这些纳米材料已在多种生物中进行了测试，通过纳米材料递送成功实现基因沉默的物种包括61种昆虫、15种真菌和3种卵菌、4种螨类和1种蜱类、9种病毒、5种线虫和3种植物。昆虫是研究最深入的类群，涵盖直翅目、鳞翅目、鞘翅目、半翅目、双翅目、蜚蠊目、膜翅目和缨翅目8个目。在61种昆虫中，SPc、CS、脂质基载体和碳基材料四大类载体占应用的大多数，覆盖50个物种。SPc和CS是主要载体，成功应用于45个物种。
3.3 靶标基因分析
最常被靶向的基因编码几丁质合成酶（chitin synthase, CHS）、细胞色素P450（cytochrome P450, CYP450）和液泡ATP酶（vacuolar ATPase, V-ATPase），已在30种昆虫中成功应用。CHS和V-ATPase靶标最常使用SPc、CS、LDH和脂质基载体进行沉默，但也报道了使用VLPs、碳基材料和RNA微球成功沉默的案例。相比之下，CYP450靶标主要使用SPc、CS和有机硅载体进行沉默。
3.4 各类群应用情况
半翅目昆虫中，桃蚜（Myzus persicae）是研究最多的物种，使用了SPc、聚己内酯-b-聚（2-（二甲氨基）乙基甲基丙烯酸酯）、亲水-亲脂性双嵌段聚合物、聚集诱导发光（AIE）聚合物等多种载体，靶向hem、vg、Ubx、Hsp70、V-ATPase d、V-ATPase G、Met、Kr-h1、cactus、trop、cactin、EcR、Cath、CP19、Ace、CHS、Tret1、Dpp、Diap、Psmb5、Sec61a、Scr、Nrf2、sMaf等基因。褐飞虱（Nilaparvata lugens）使用了LDH、CS改性纳米材料、松香改性聚乙二醇和CS、沸石咪唑酯骨架结构-8、具有可调氨基/羟基的CQDs、氨基化介孔有机硅纳米颗粒（MON-NH?）、RNA纳米结构等多种载体。棉蚜（Aphis gossypii）使用了SPc、粗糙表面中空介孔二氧化硅（RHMS）、LDH等载体。烟粉虱（Bemisia tabaci）使用了SPc、CQDs、CS水凝胶、CS、LDH等载体。
鳞翅目昆虫中，草地贪夜蛾（Spodoptera frugiperda）使用了聚[N-（3-胍基丙基）甲基丙烯酰胺]、CS、鱼精蛋白硫酸盐和Cellfectin II、纳米脂质体、SPc、沸石咪唑酯骨架结构-8和聚多巴胺复合物、细胞穿透性二硫键聚合物、脂质（Cellfectin II）、RNA微海绵等多种载体。二化螟（Chilo suppressalis）使用了SPc、CS、CQDs、Lipofectamine 2000等载体。棉铃虫（Helicoverpa armigera）使用了CQDs、咪唑修饰的石墨烯量子点（IGQDs）、CS-三聚磷酸钠、MgFe LDH等载体。亚洲玉米螟（Ostrinia furnacalis）使用了SPc、阳离子核壳荧光纳米颗粒（FNP）、聚-L-赖氨酸（PLL）功能化黑色素纳米颗粒（MNP）、蛋氨酸基锍脂质化合物等载体。
其他昆虫目中，双翅目埃及伊蚊（Aedes aegypti）使用了CS-三聚磷酸钠、PLL和表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）纳米颗粒、CS、CQDs等载体。斑翅果蝇（Drosophila suzukii）使用了VLPs、SPc、双嵌段共聚物、氧化石墨烯等载体。鞘翅目赤拟谷盗（Tribolium castaneum）使用了CQDs、聚酰胺-胺树枝状聚合物碳纳米管（PAMAM-CNTs）、BAPCs、RNA纳米结构等载体。直翅目飞蝗（Locusta migratoria）使用了SPc、PEI功能化单壁碳纳米管（PEI-SWNT）、PLL功能化MNP、CS、聚乙二醇-聚赖氨酸（硫醇）嵌段共聚物等载体。
真菌和卵菌中，辣椒疫霉（Phytophthora capsici）、大豆疫霉（Phytophthora sojae）和致病疫霉（Phytophthora infestans）使用了CQDs、高岭石纳米黏土、SPc、EV模拟嵌合纳米囊泡等载体。核盘菌（Sclerotinia sclerotiorum）使用了LDH、壳聚糖季铵盐等载体。灰葡萄孢（Botrytis cinerea）使用了阳离子脂质、三角形RNA纳米颗粒、RNA纳米颗粒、LDH、Zn/Co沸石咪唑酯骨架结构、聚乙烯亚胺改性碳点、CS等载体。稻瘟病菌（Magnaporthe oryzae）使用了LDH、PEI改性碳点、CS-海藻酸钠纳米颗粒等载体。立枯丝核菌（Rhizoctonia solani）使用了LDH、沸石咪唑酯骨架结构-8、CS/SPc复合物、CS、CQDs、PEI、聚酰胺-胺、鱼精蛋白、ε-聚-L-赖氨酸（ε-PL）和羧甲基壳聚糖（CMCS）、PEI改性碳点、介孔二氧化硅纳米颗粒等载体。
螨类和蜱类中，二斑叶螨（Tetranychus urticae）使用了SPc，朱砂叶螨（Tetranychus cinnabarinus）使用了CS，柑橘全爪螨（Panonychus citri）使用了CQDs、CS-三聚磷酸钠五碱、LDH、SPc、氧化石墨烯纳米片等载体。
病毒方面，菜豆普通花叶病毒使用了LDH和介孔二氧化硅纳米颗粒，玉米褪绿斑驳病毒和甘蔗花叶病毒使用了阳离子/阴离子脂质体，烟草花叶病毒使用了细胞穿梭肽（CPP）修饰的四面体DNA纳米颗粒（TDN）为核心和聚多巴胺杂化介孔二氧化硅纳米颗粒（PDA-MSN）、壳聚糖季铵盐、壳聚糖和海藻酸钠生物聚合物、氧化石墨烯纳米片等载体，番茄斑萎病毒和番茄黄化曲叶病毒使用了PEI-ssDNA-单壁碳纳米管。
线虫中，马铃薯白线虫（Globodera pallida）使用了矿物高岭石，秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegans）使用了LDH和烟草温和绿色花叶病毒外壳蛋白基球形纳米颗粒，松材线虫（Bursaphelenchus xylophilus）使用了RNA纳米颗粒，南方根结线虫（Meloidogyne incognita）使用了细胞外囊泡，Acrobeloides nanus使用了CS。
植物方面，拟南芥（Arabidopsis thaliana）使用了PEI功能化金纳米颗粒（PEI-AuNPs），薇甘菊（Mikania micrantha）使用了RNAi纳米球（RNP）/短发夹RNA，本氏烟（Nicotiana benthamiana）使用了DNA纳米结构和阳离子脂质1,2-二油酰-3-三甲基铵丙烷以及PEI-ssDNA-单壁碳纳米管。
五、讨论与结论
该研究系统分析了NDRPs领域的研究进展，揭示了昆虫是该领域研究最深入的类群，SPc和CS是最广泛使用的纳米载体，CHS、CYP450和V-ATPase是最常被靶向的基因。然而，利用纳米载体递送RNAi实现害虫完全死亡的情况仍较为罕见，表明该技术在实际应用中仍面临挑战。当前面临的主要挑战包括田间条件下的稳定性问题和监管障碍。未来研究方向包括多种协同策略的整合，以进一步提高NDRPs的防治效果。该研究为NDRPs领域的研究设计和实际应用提供了循证基础，对推进RNAi农药的产业化发展具有重要指导意义。
