用于精准农业的纳米增效杀菌剂：结合直接抗真菌机制、寄主免疫激活及环境风险控制

《Pesticide Biochemistry and Physiology》：Nano-enabled fungicides for precision agriculture: Integrating direct antifungal mechanisms, host immune activation, and environmental risks

　　

摘要

纳米技术作为农业中一种强大的工具正在快速发展，为确保作物的可持续生长提供了新的方法。基于纳米技术的杀菌剂（NEFs）越来越被认为是提高真菌病害控制精确度的有效解决方案。然而，评估这些NEFs的可持续性不能仅仅基于它们的抗真菌效果。NEFs的生物性能取决于其对真菌病原体的直接作用与刺激植物防御系统之间的相互作用。此外，它们的环境可持续性很大程度上受到其对目标生物以外影响的制约。NEFs通过多种机制抑制真菌病原体，包括破坏真菌细胞完整性、引发氧化应激和植物激素失衡以及干扰感染相关过程。在植物中，除了作为抗真菌剂外，NEFs还可能作为防御激活剂，增强免疫信号传导、抗氧化活性、物理防御和系统抗性。另一方面，这些效果可能会以植物毒性和其他对土壤微生物群、菌根相互作用、水生生物、昆虫传粉者以及无脊椎动物和人类福祉的不可预见的影响为代价。这种直接和间接机制的结合意味着NEFs可能用更少的活性成分实现病害抑制；然而，这些好处需要与随之而来的生物后果进行权衡。因此，我们认为未来的NEFs应该基于“针对性效果–植物防御–生态安全”框架进行研发。

引言

农业是必要的，因为它为许多国家提供食物和收入。它是农村居民的主要职业，大约86%的农村人口依靠农业为生（Atiq等人，2020年）。预计到2050年世界人口将达到100亿（Paul和Nag，2024年）。这种人口增长将显著增加对提高农业生产力的需求。需要在不影响食品质量的前提下提高农业生产力。每年真菌病原体导致农业生产力下降14%，造成超过600亿美元的损失，并对8亿多人的粮食安全构成威胁（Anand和Rajeshkumar，2022年；Li等人，2023a；Gai和Wang，2024年）。这些微生物通过产生有毒成分（如菌核、霉菌毒素和降解宿主细胞壁的酶）引起各种症状（如萎蔫、茎腐病、黄化和枯萎病），从而损害作物。这一过程加速了宿主组织的分解，阻碍了植物生长（Hajji-Hedfi等人，2024年；Case等人，2025年；Wang等人，2023年）。随着新的致病真菌菌株的出现和毒力的增加，迫切需要新的作物保护方法，以确保粮食安全而不破坏环境（Godfray等人，2016年）。过度依赖传统化学杀菌剂已经引发了一系列问题，威胁到农业的未来（Parra等人，2025年）。

纳米技术的出现被认为是解决现有杀菌剂不足的一个有希望的答案，提供了更安全、更有效的替代品（Chhipa，2017年）。这是因为NEFs利用了纳米颗粒（NPs）的独特物理化学性质，包括高表面积与体积比、高反应性和在低浓度下更好的活性化合物生物利用度（Ogwu和Izah，2025年；Dávila-Costa和Romero，2025年）。能够根据pH值、温度、酶反应或病原体释放的信号分子的变化释放活性化合物的刺激响应型NPs系统，可以被视为杀菌剂应用的重大突破，因为它们能够将活性化合物精准地输送到病变部位（Ma等人，2024年）。纳米农药提供了多种好处，包括增强效力和减少活性成分的使用量。这种组合为减少传统化学农药对生态系统的环境影响提供了有效途径（Awad等人，2022年）。金属基NPs在抑制植物病原菌和真菌方面的应用基于两个方面：一是NPs与病原体之间的直接相互作用，二是通过诱导植物抗性产生的间接效果（Li等人，2023b）。此外，纳米材料（NMs）可以作为植物防御机制的刺激剂，帮助预防疾病（Safdar等人，2022年）。结合了抗真菌特性的纳米杀菌剂或作为传统杀菌剂的载体的纳米杀菌剂（Parada等人，2024年），为传统化学杀菌剂提供了一种有效替代方案，同时将环境影响降到最低（Dávila-Costa和Romero，2025年）。磁铁矿NPs对Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici的抑菌活性优于Ningnanomycin（Kong等人，2025a）。根据El-Sharkawy等人（2026a）的研究，纳米形式的硅（Si）和壳聚糖（Cht）完全抑制了F. oxysporum f. sp. pisi的菌丝生长，而传统Si仅能抑制50%。表S1通过比较传统农药和纳米农药的优点和缺点提供了对比研究（详见补充材料中的表S1）。

尽管NEFs具有许多优势，在它们广泛应用于农业实践之前，仍需对其对环境的风险进行全面评估（Rajput等人，2025年）。纳米生态毒理学研究NPs在不同环境中的传输、命运和毒性，提出了一些关键问题。NPs在土壤中的持久性、在食物链中的生物积累潜力以及对非目标土壤生物（NTSOs）的毒性是一些值得关注的问题（Parmar和Singh，2026年；Gakis等人，2025年）。将NEFs与精准农业和智能输送系统结合使用，可以在不浪费资源和污染环境的情况下实现作物的最佳保护（Nizamani等人，2024年；Ogwu和Izah，2025年）。本研究的目的在于（1）探讨NEFs对抗真菌的独特机制；（2）了解NEFs对植物防御信号通路的作用机制，以增强抗病性；（3）确定NEFs对非目标生物（NTOs）的生态风险和植物毒性。本综述旨在为NEFs在可持续农业中的应用提供决策依据。

部分片段

综述方法

进行了全面的文献回顾，以确定与纳米农药在农业生态系统中的环境命运、生态毒性影响、非目标毒性、抗真菌活性、信号通路、活性氧（ROS）、可持续农业和风险影响相关的学术文章。文献检索仅限于2020年1月至2026年3月，通过Scopus、Web of Science（所有数据库）和Google Scholar进行，因为这些数据库包含相关资料

NEFs介导的直接抗真菌机制

NEFs可以通过多种通常相互关联的机制发挥直接抗真菌作用，这些机制作用于真菌细胞表面和细胞内部。NEFs的多方面抗真菌特性包括抑制孢子萌发（Mukherjee等人，2020年）、破坏细胞壁/膜（Karata?等人，2026年）、触发ROS介导的氧化应激（Vijayalakshmi等人，2025年）、损害线粒体功能（Moreno-Vargas等人，2023年）以及损伤DNA和蛋白质（López-Gervacio等人

NEFs在保护植物方面具有价值，但如果使用不当，也可能伤害NTOs并引起植物毒性效应。一旦进入环境，NPs会在生物学、化学和物理学方面发生各种变化，从而决定它们的环境行为、命运和移动性（Donia和Carbone，2019年）。这包括对植物毒性和水及土壤污染的考察。此外，这些部分还将讨论

NEFs在控制真菌引起的植物疾病方面代表了创新的发展，与现有杀菌剂相比，它们具有精确的输送方式和较低的环境影响。尽管在理解NEFs的抗真菌作用和刺激植物防御潜力方面取得了显著进展，但仍存在许多知识空白，这些空白限制了NEFs从实验室发现向实际农业解决方案的转化。其中一个关键问题是区分

结论

NEFs代表了作物保护领域的一个有前景的范式转变，其中可以将针对病原体的毒性和宿主介导的防御集成到一个平台上。它们多方面的作用，包括破坏真菌膜、线粒体、蛋白质和DNA，以及激活植物免疫信号传导、抗氧化能力和防御基因、系统抗性，提供了以减少化学杀菌剂使用量实现有效病害抑制的机会。

Amir Khan：撰写 – 原始草稿，形式分析，概念化。Kazi Sabnam Siddiqua：撰写 – 审阅与编辑，可视化。Anlong Hu：验证，监督，项目管理，概念化。Hongbo Qiu：验证，监督，项目管理，概念化。Shahabab Ahmad Farooqui：撰写 – 审阅与编辑。

资助

中国国家自然科学基金（32260691）；贵州省创新人才团队（CXTD [2023]015）；贵州省农业生物安全重点实验室（ZSYS [2025]024）。

El-Sharkawy和Madbouly，2026

作者声明没有利益冲突。

Amir Khan|Kazi Sabnam Siddiqua|Anlong Hu|Hongbo Qiu|Shahabab Ahmad Farooqui

中国贵州省贵阳市贵州大学农业学院，550025