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徐汉虹教授团队开展科学研究“抗疫”行动

审核发布:宣传部 王敏 来源单位及审核人:植保学院 闫笑久 发布时间:2021-07-16浏览次数:10

自新冠疫情发生以来,植保学院徐汉虹教授团队加强防护,潜心科研,共计发表SCI论文42篇,其中中科院一区论文17篇,中科院二区论文11篇,以实在的科研贡献作为“抗疫”的成果。

据悉,植物保护学院徐汉虹教授团队以植物源农药、导向农药和农业有害生物绿色防控为主要研究方向。其代表性成果相继发表在Carbohydrate Polymers(IF:9.381)、Journal of Cleaner Production(IF:9.297)、Nano Research(IF:8.897)、ACS Sustainable Chemistry & Engineering(IF:8.198)、Science of the Total Environment(IF:7.963)、Food chemistry(IF:7.514)、Sensors and Actuators B(IF:7.460)等高水平期刊上。

2020年,团队在导向农药可视化研究中取得了突破,在《Nano Research》和《Sensors and Actuators B》上相继发表了题为Nanoparticle-immersed paper imprinting mass spectrometry imaging reveals uptake and translocation mechanism of pesticides in plants和A novel red-emissive probe for colorimetric and ratiometric detection of hydrazine and its application in plant imaging的研究论文。

论文创新性地提出了一种简单的“金纳米纸”策略,具有原位保留植物组织内农药及内源物空间分布信息和基于金纳米粒子(AuNPs)耦合质谱信号增强的双重优势,成功实现了植物叶片、花瓣、球茎等组织压印质谱成像分析。同时,AuNPs均匀嵌入到纸纤维中保证了成像结果的准确性,避免了传统MALDI基质喷涂方法造成的成像假象。利用质谱成像技术,对受植物转运蛋白介导的导向农药分子进行了时间和空间维度的可视化成像,首次揭示了导向农药在植物中的动态输导规律。该论文首次利用原位、无标记、高分辨率质谱成像技术对导向农药的输导机制进行可视化研究,这为深入探讨农药的吸收、转运分布和代谢(ADME)提供了新方法,为靶向精准农药创制,实现农药精准高效施用具有重要意义。

(论文在线网址:https://doi.org/10.1007/s12274-020-2700-5)

植物外源物质在活体植株内的原位检测与光学成像,一直以来是荧光检测领域的难点。该研究设计合成了一类可被菜心根部吸收、与肼类物质有良好响应性的荧光探针,首次在菜心根部实现了对外源物质的活体原位荧光成像检测。此类新型探针有潜力被应用于植株内酰肼类农药的实时检测与分析,为研究导向农药被作物吸收转运过程、探究导向农药转运机制提供有力工具。

(论文在线网址:https://doi.org/10.1016/j.snb.2019.127640)

团队利用质谱成像技术研究了新烟碱类杀虫剂在蜜蜂体内的分布,阐明了呋虫胺和啶虫脒对蜜蜂选择性毒性的机理,为降低新烟碱类杀虫剂对蜜蜂的毒性提供了参考依据。相关研究论文题为Insights into the degradation and toxicity difference mechanism of neonicotinoid pesticides in honeybees by mass spectrometry imaging,于2021年1月发表在《Science of the Total Environment》上。

蜜蜂不仅具有重要的经济价值,而且作为重要的授粉者,在维持植物多样性中发挥着重要作用,且是环境污染物的监测者。由于杀虫剂的过度使用,特别是新烟碱类杀虫剂,蜜蜂数量和种类大量减少。其中,新烟碱中N-硝基胍和 N-氰基脒类化合物对蜜蜂具有显著的选择性毒性,目前这种选择性毒性的机理相关报道较少。该研究使用基质辅助激光解吸电离质谱成像(MALDI-MSI)技术可视化新烟碱类N-硝基胍(呋虫胺)和N-氰基脒(啶虫脒)在蜜蜂体内的原位分布。结果表明,胃毒和触杀2种方式施用呋虫胺和啶虫脒后,两者均能迅速穿透蜜蜂体内的各种生物屏障,分布于蜜蜂全身,但啶虫脒的降解速度比呋虫胺快得多,尤其在肠道部位。进一步研究发现,PBO能显著减缓啶虫脒在蜜蜂体内的降解速度,但对呋虫胺的降解速率影响较小。此外,蜜蜂长期暴露在多种杀虫剂中,而不是单个杀虫剂,所以将啶虫脒与戊唑醇混用之后,啶虫脒同样可以迅速穿透蜜蜂体内的各种生物屏障,但是蜜蜂对啶虫脒的降解速率显著降低。上述研究表明,啶虫脒和呋虫胺的毒性差异不在于它们对蜜蜂不同生物屏障的穿透性的差异,而在于它们在蜜蜂组织内具有不同的降解速度,且抑制蜜蜂体内的P450酶后,能显著减缓啶虫脒在蜜蜂体内的降解。

(论文在线网址:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145170)

在植物源农药和导向农药应用于水稻稻瘟病防控方面,相继在《Journal of Cleaner Production》和《ACS Sustainable Chemistry & Engineering》上发表了题为Novel strategy with an eco-friendly polyurethane system to improve rainfastness of tea saponin for highly efficient rice blast control和Pathogenic invasion responsive-carrier based on mesoporous silica/β-glucan nanoparticles for smart delivery of fungicides的研究论文。

减少农药对生态系统的淋溶和气溶胶的飘移,是现代农业和环境保护面临的巨大挑战。该研究将天然植物源产物茶皂素与环保型植物油基水性聚氨酯相混合,探究了不同茶皂素含量复合材料的化学结构、力学性能、热稳定性、缓释行为以及对稻瘟病菌丝体生长的抑制作用。结果表明,通过控制复合乳液中茶皂素的含量,可以调节茶皂素在复合膜中的释放速率。所制备的复合材料对稻瘟病菌丝生长有很好的抑制作用,并且具有令人满意的耐雨水冲刷效果。该论文首次提出利用生物基可降解聚合物缓释膜防治农田病害,提高作物的抗逆性,在提高农药喷施的有效利用率方面具有广阔的应用前景。

通过将从酵母细胞壁中提取的β-葡聚糖与介孔二氧化硅(MSN)相结合,合成了一种用于控制百菌清在植物维管束系统中释放的纳米载体(CHT@MSNs-β-葡聚糖)用于防治水稻稻瘟病。CHT@MSNs-β-葡聚糖呈现出优异的酶控释放特性,其载药率高达24.99%,在酸碱条件下对百菌清具有明显的保护作用,其紫外线防护能力比百菌清可湿性粉剂提高3倍。与百菌清可湿性粉剂相比,CHT@MSNs-β-葡聚糖对稻瘟病表现出优异的生物活性,CHT@MSNs-β-葡聚糖可被水稻植物吸收,转移至不同部位。此外,CHT@MSNs-β-葡聚糖对大型水蚤的毒性比百菌清可湿性粉剂相比降低了2.6倍,并且对土壤微生物丰度的影响也较低。该研究提供了可持续的植物病原体管理方式,通过使用本研究制备的CHT@MSNs-β-葡萄糖可以有效减少田间的百菌清用量。该论文报道了基于特定真菌行为而合成的控释制剂,具有杀菌剂释放的敏感性,提高了杀菌剂的利用率,减少了对环境的不良影响。

(论文在线网址:https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.1c02962)

2021年,团队在《Carbohydrate Polymers》和《Science of the Total Environment》发表了三篇导向农药应用于农业有害生物防控的研究论文,题为Carboxylated β-cyclodextrin anchored hollow mesoporous silica enhances insecticidal activity and reduces the toxicity of indoxacarb、Insecticidal efficacy and mechanism of nanoparticles synthesized from chitosan and carboxymethyl chitosan against Solenopsis invicta (Hymenoptera: Formicidae)和Floating chitosan-alginate microspheres loaded with chlorantraniliprole effectively control Chilo suppressalis (Walker) and Sesamia inferens (Walker) in rice fields,为草地贪夜蛾、红火蚁和水稻螟虫的防控提供了新的思路。

传统的茚虫威制剂通常没有刺激反应,缺乏对目标昆虫的选择性作用,导致有益昆虫数量的减少。为此构建了一种抗光降解、减轻鱼类毒性并实现茚虫威精确控制释放的农药输送系统。将昆虫的酶促水解反应与控释农药制剂技术联系起来,使用中空介孔二氧化硅包裹的杀虫剂,利用α-淀粉酶可水解α-1,4-糖苷键的特性,我们使用天然环糊精分子作为“帽子”,将载有杀虫剂的中空介孔二氧化硅的中孔和中空腔密封,经过昆虫体内的α-淀粉酶水解,农药在其口腔和肠道持续释放,对草地贪夜蛾具有优异的毒杀效果,其持续效果可达14天以上。同时茚虫威对成年斑马鱼和斑马鱼胚胎的毒性减少了5倍。该论文首次报道了载有茚虫威的中空介孔二氧化硅纳米粒子用于防治玉米上的草地贪夜蛾。

使用可生物降解的天然高分子材料壳聚糖及其衍生物羧甲基壳聚糖简易制备了一种在酸性环境下能够吸水溶胀的pH敏感壳聚糖基纳米颗粒。该研究发现壳聚糖基纳米颗粒对红火蚁具有良好的杀虫效果,饲喂低浓度的纳米悬液液体饵剂能够抑制红火蚁的生长发育和其对糖水的摄食。纳米颗粒在红火蚁中肠吸水溶胀,使中肠膨大,同时抑制肠道消化酶系的活性,这些作用共同导致了红火蚁的死亡。该研究制备的壳聚糖基纳米颗粒对红火蚁表现出独特的杀虫作用,为开发基于壳聚糖基的绿色导向纳米农药提供了参考。

水稻二化螟、大螟,幼虫聚集在水稻茎部钻蛀:,但是由于叶子产生的封闭性,所施用的农药常常不在目标范围内,导致防治效果不佳,需要大量频繁地使用杀虫剂保证效果,这加快了害虫的抗药性发展,并在喷雾过程中,天敌昆虫直接暴露于化学杀虫剂下而减少了数量。因此,迫切需要开发对环境友好、靶向能力强和易于施用的农药制剂以应对这一挑战。这项研究开发并测试了具有良好性能的载有氯虫苯甲酰胺的水凝胶漂浮球,田间试验表明漂浮球随着水流和气流的移动聚集在稻茎周围,并缓慢释放氯虫苯甲酰胺,释放到水中的农药被水稻茎秆吸收传导至叶片。处理后水稻茎秆和叶片中的农药的含量显著高于悬浮剂和颗粒剂处理后茎秆和叶片中农药的含量且持续时间更长。水凝胶漂浮球的应用提高了对二化螟、大螟的防治效果,减少了水稻白穗枯心的发生率,其控制时间可达21天。

怎样提高农药的利用率,降低农药对环境和非靶标生物的:,实现农药精准高效施用是目前的重要研究方向。这些成果为农业病虫害有效防控和绿色导向农药创制奠定了基础。

(文图/植物保护学院 郑群 林素坤)




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