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想象一种技术可以针对农药来处理土壤深处的特定斑点 使其更有效地控制虫害 同时限制其对环境的毒性

想象一种技术可以针对农药来处理土壤深处的特定斑点,使其更有效地控制虫害,同时限制其对环境的毒性。

加州大学圣地亚哥分校和凯斯西储大学的研究人员朝着这一目标迈出了一步。他们发现生物纳米粒子 - 一种植物病毒 - 能够将更深层次的农药分子输送到通常无法触及的地方。

这项工作可以帮助农民更好地管理难治的害虫,如寄生线虫,对土壤深处的植物根系造成严重破坏,杀虫剂减少。这项工作于5月20日在Nature Nanotechnology杂志上发表。

“我们可以使用植物病毒来治疗植物健康,这听起来有点违反直觉,”加州大学圣地亚哥雅各布斯工程学院纳米工程教授,该研究的高级作者Nicole Steinmetz说。“这是一个新兴的纳米技术研究领域,表明我们可以将植物病毒用作杀虫剂传递系统。它类似于我们如何在医学中使用纳米粒子将药物靶向疾病部位并减少其对患者的副作用。”

Steinmetz解释说,当在田间施用时,杀虫剂是非常粘稠的分子。它们与土壤中的有机物强烈结合,使得难以充分渗透到线虫的根部,如线虫所在的害虫并造成损害。

为了补偿,农民最终使用大量农药,这些农药会在土壤中积聚有害残留物并渗入地下水。

Steinmetz和她的团队正在努力解决这个问题。在一项新的研究中,他们发现一种特殊的植物病毒,烟草温和的绿色花叶病毒,可以轻松地将少量农药深入土壤中。

一个有用的病毒

在实验室测试中,研究人员将模型杀虫剂附加到不同类型的纳米粒子上,并通过土壤柱浇灌。

烟草温和的绿色花叶病毒优于该研究中测试的大多数其他纳米颗粒。它将货物运到地表以下30厘米处。研究人员研究农药和肥料输送的PLGA和介孔二氧化硅纳米粒子的有效载荷分别为8和12厘米。

还测试了其他植物病毒。豇豆花叶病毒也将其有效载荷带到地表以下30厘米深处,但它只能携带烟草温和绿色花叶病毒可携带的有效载荷的一小部分。有趣的是,酸浆花叶病毒仅在表面下方4厘米处。

研究人员假设纳米粒子的几何形状和表面化学可能在它如何在土壤中移动中发挥作用。例如,具有管状结构可以部分解释为什么烟草温和的绿色花叶病毒比大多数其他球形的纳米颗粒行进得更远。此外,它的表面化学性质自然比PLGA和二氧化硅等合成颗粒更加多样化,这可能导致它与土壤的不同相互作用。虽然这些设计规则可能适用于烟草温和的绿色花叶病毒,但研究人员表示,需要做更多工作才能更好地理解为什么其他纳米粒子的行为方式如此。

“我们正在从纳米医学中学到的概念,我们正在开发用于靶向给药的纳米粒子,并将其应用于农业,”Steinmetz说。“在医疗环境中,我们也看到具有骨骼,管状形状和多种表面化学成分的纳米载体可以更好地导航身体。植物病毒更容易穿透并穿过土壤是有道理的 - 可能是因为它是自然的地方驻留“。

在安全性方面,烟草温和的绿色花叶病毒可以感染茄科(或茄属)家族的植物,如番茄,马铃薯和茄子,但对数千种其他植物物种是良性的。此外,病毒仅通过两个植物之间的机械接触传播,而不是通过空气传播。研究人员表示,这意味着如果一个地区正在接受这种病毒治疗,附近的地区将不会受到污染。

农药交付模型

该团队还开发了一种计算模型,可用于预测不同农药纳米载体在土壤中的表现 - 它们的行进深度; 它们中有多少需要施用于土壤; 他们需要多长时间才能释放出农药。

“使用不同植物病毒或纳米材料的研究人员可以使用我们的模型来确定他们的粒子作为杀虫剂传递剂的效果,”第一作者Paul Chariou说,他是加州大学圣地亚哥分校Steinmetz实验室的生物工程博士生。

“它还减少了实验工作量,”Chariou说。在该研究中仅测试一种纳米颗粒涉及运行数百种测定,收集每列的所有级分并进行分析。“这一切都需要至少一个月。但是使用该模型,它只需要我们大约10个土柱和4天来测试新的纳米粒子,”他说。

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