王培义教授在Advanced Science发表新成果

2025年5月28日，贵州大学绿色农药全国重点实验室王培义教授团队在Advanced Science ( IF 14.3 )上发表了“Assembling Hexahedral Supramolecular Nano‐Aggregates on Rice Wax Layer Matrices to Promote the Leaf Deposition and Bioavailability of Bactericides for Plant Protections”的研究论文。该研究在水稻蜡质层基质上组装六面体超分子纳米聚集体，以提升杀菌剂在植物叶片上的沉积量及生物利用度，进而增强植物保护效果。

研究思路：植物表面天然存在的疏水性蜡质层微结构会严重阻碍农药液滴的叶片附着与沉积，导致农药生物利用度低下，并引发难以避免的环境污染。受超分子自组装策略启发，本研究基于苯并咪唑修饰杀菌分子（BiTA18）与β-/γ-环糊精（β-CD/γ-CD）的主客体复合，设计合成两种各向异性超分子构筑单元（BiTA18@β-CD和BiTA18@γ-CD）。这些构筑单元能在水稻微晶基质表面自组装形成纳米级六方柱状结构，显著提升杀菌成分在靶标植物上的滞留量。更引人注目的是，这类寡糖包覆的超分子材料凭借优异的生物相容性，可突破细菌生物膜屏障，抑制细菌运动能力及胞外酶分泌，并诱导细菌电解质泄漏与活性氧积累，最终实现对顽固病原菌的彻底杀灭。综合这些优势，最优超分子材料BiTA18@β-CD在200 µg/mL浓度下对水稻白叶枯病和柑橘溃疡病的防治效率分别达到54.4%和71.7%，显著优于春雷霉素（34.3%/34.1%）、噻唑锌-20%SC（39.9%/42.7%）和BiTA18原药（42.7%/46.9%）。此外，该超分子体系对蚯蚓和斑马鱼等非靶标生物表现出良好安全性。本研究为构建基于水稻微晶基底的超分子构筑单元提供了关键思路，对提升农药利用率具有重要启示意义。

图2 液滴弹跳/飞溅行为及纳米六方柱状结构在水稻微晶基质上的自组装。A) 从10 cm高度滴落含BiTA18、BiTA18@β-CD、BiTA18@γ-CD、β-CD、γ-CD和H₂O的液滴在水稻叶片上的弹跳行为（标尺：2 mm）。B) 基于视频S1（支撑材料）解析的时间分辨反弹高度（Ht/D₀），其中D₀表示初始液滴直径，Ht表示液滴收缩过程中液滴顶端与水稻表面之间的高度差。C) BiTA18、BiTA18@β-CD、BiTA18@γ-CD、β-CD、γ-CD和H₂O在30 cm高度下的飞溅行为（标尺：2 mm）。D) 根据视频S2（支撑材料）计算的最终滞留于水稻叶片上的归一化液滴体积，其中V₀表示初始液滴体积，Vᵢ表示每组最终滞留的液滴体积。E) 液体保持能力实验：将直径1.0 cm的水稻叶片浸入不同液体30 s后取出，称量各组叶片上滞留的液体质量。F) BiTA18、BiTA18@β-CD、BiTA18@γ-CD、β-CD、γ-CD和H₂O的表面张力测定结果。G) BiTA18、BiTA18@β-CD、BiTA18@γ-CD、β-CD、γ-CD和H₂O的接触角测量结果及水稻叶片上喷雾液滴的实物照片。H) BiTA18、BiTA18@β-CD和BiTA18@γ-CD在水稻叶片上的沉积形貌扫描电镜（SEM）图像。

BiTA18@β-CD/γ-CD可在水稻微晶基质表面自组装形成纳米级六方柱状结构，实现药液的高效叶片滞留与沉积 杀菌剂发挥功效的关键前提是其在叶面喷施后能够稳定附着于靶标植物表面。鉴于所构建超分子体系具有优异的生物相容性，我们开展了一系列实验，系统考察其在疏水性叶片表面的润湿性、附着性及沉积行为。首先，借助高速摄像机记录药滴动态行为，评估其在水稻叶片上的铺展与反弹性能。如图2A及支撑材料视频S1所示，对照组药滴（H₂O、β-CD或γ-CD）在水稻叶片上表现出明显的反弹现象，而BiTA18@β-CD和BiTA18@γ-CD超分子体系能显著抑制药滴反弹，其效果明显优于单一BiTA18分子。进一步对药滴反弹高度进行归一化处理（Ht/D₀，其中Ht为最大反弹高度，D₀为初始液滴直径，见图2B）。数据显示，当药滴达到最大反弹高度时，各体系的归一化高度分别为：BiTA18（2.08）、BiTA18@β-CD（1.34）、BiTA18@γ-CD（1.38）、β-CD（2.37）、γ-CD（2.86）及H₂O（2.78）。这一结果表明，具有生物相容性的BiTA18@β-CD和BiTA18@γ-CD药滴能显著增强与水稻蜡质层基质的亲和力。此外，药滴飞溅与分裂行为作为影响农药利用率的关键因素，本研究也对其进行了深入考察。如图2C及支撑材料视频S2所示，在高速冲击条件下，经BiTA18@β-CD和BiTA18@γ-CD处理的液滴仅有少量发生飞溅分离，绝大多数药滴最终稳定附着于叶片表面。定量分析显示，BiTA18@β-CD和BiTA18@γ-CD的最终滞留率分别达到70.2%和62.5%，显著高于BiTA18组及其他对照组（图2D）。这一结果表明，该超分子体系能有效抑制药滴飞溅，促使大部分药液沉积于目标作物表面，从而显著提升农药利用率。