一种三重响应型智能控释系统，用于释放抗真菌挥发性物质：通过针对病原体的控制与促进作物生长来实现可持续农业发展

《Journal of Nanobiotechnology》：A triple-responsive smart controlled-release system for antifungal volatiles: toward sustainable agriculture via pathogen-targeted control and crop growth promotion

　　

摘要

真菌污染导致了全球大量的食物损失和浪费。其中，由Botrytis cinerea引起的番茄灰霉病尤为严重，使得全球番茄产量减少了10–50%。与此同时，传统化学杀菌剂的过度使用引发了前所未有的抗药性危机和生态风险，严重威胁着食品安全与可持续农业发展。为解决这一问题，本研究构建了一种三重响应型智能控释系统（Pyzs@NM88B-CMC@PQ）。该系统通过金属-有机框架（MOFs）的纳米限制效应，高效装载了吡嗪类挥发性有机化合物（VOCs），装载效率可达21.91%；同时利用纳米界面工程技术，制备出了羧甲基纤维素（CMC）与季铵化果胶复合物（PQ）混合水凝胶涂层。这使得该系统能够在B. cinerea感染时识别关键的生物信号，进而触发载体的级联解离，实现VOCs在时间和空间上的精准释放。性能测试表明，该系统具备对pH值、纤维素酶及果胶酶响应的靶向释放功能。在番茄灰霉病的生物防治中，其在体外对菌丝生长和孢子萌发的抑制作用EC₅₀值分别为38.15 mg/L和8.70 mg/L；而在体内则表现出97.38%的防护效果和94.73%的治疗效果。在樱桃番茄的采后保存中，该系统可使果实保鲜期延长6天，并有效保持其营养成分和感官品质。此外，该系统还具有优异的环境耐受性，耐雨性提升了7.06倍，紫外线防护能力提升了5.09倍，同时具备良好的储存稳定性和广谱装载能力。生态毒性分析显示，该系统对土壤无脊椎动物、哺乳动物细胞系以及土壤微生物生态系统均无明显毒性作用。全生命周期生物安全性评估进一步证实，该系统不仅对作物无毒，且在特定浓度下还具有促进生长的潜力。通过整合微环境编程释放、纳米界面黏附以及多机制协同抗真菌作用，本研究为开发新一代智能绿色农业投入品提供了新途径，在减少农药残留、降低采后损失以及保障粮食安全方面具有重要的应用前景。

图形摘要

真菌污染导致了全球大量的食物损失和浪费。其中，由Botrytis cinerea引起的番茄灰霉病尤为严重，使得全球番茄产量减少了10–50%。与此同时，传统化学杀菌剂的过度使用引发了前所未有的抗药性危机和生态风险，严重威胁着食品安全与可持续农业发展。为解决这一问题，本研究构建了一种三重响应型智能控释系统（Pyzs@NM88B-CMC@PQ）。该系统通过金属-有机框架（MOFs）的纳米限制效应，高效装载了吡嗪类挥发性有机化合物（VOCs），装载效率可达21.91%；同时利用纳米界面工程技术，制备出了羧甲基纤维素（CMC）与季铵化果胶复合物（PQ）混合水凝胶涂层。这使得该系统能够在B. cinerea感染时识别关键的生物信号，进而触发载体的级联解离，实现VOCs在时间和空间上的精准释放。性能测试表明，该系统具备对pH值、纤维素酶及果胶酶响应的靶向释放功能。在番茄灰霉病的生物防治中，其在体外对菌丝生长和孢子萌发的抑制作用EC₅₀值分别为38.15 mg/L和8.70 mg/L；而在体内则表现出97.38%的防护效果和94.73%的治疗效果。在樱桃番茄的采后保存中，该系统可使果实保鲜期延长6天，并有效保持其营养成分和感官品质。此外，该系统还具有优异的环境耐受性，耐雨性提升了7.06倍，紫外线防护能力提升了5.09倍，同时具备良好的储存稳定性和广谱装载能力。生态毒性分析显示，该系统对土壤无脊椎动物、哺乳动物细胞系以及土壤微生物生态系统均无明显毒性作用。全生命周期生物安全性评估进一步证实，该系统不仅对作物无毒，且在特定浓度下还具有促进生长的潜力。通过整合微环境编程释放、纳米界面黏附以及多机制协同抗真菌作用，本研究为开发新一代智能绿色农业投入品提供了新途径，在减少农药残留、降低采后损失以及保障粮食安全方面具有重要的应用前景。

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