水稻白叶枯病由稻黄单胞菌致病型引起,是全球范围内最具破坏性的水稻病害之一,每年导致20%-50%的产量损失,严重暴发时甚至造成绝收。化学防治仍是当前最有效且广泛应用的策略。然而,由于水稻叶片的疏水性,传统农药存在沉积效率低的问题——仅约10%的有效成分能到达靶标,而被吸收的比例低至0.1%。与此同时,地表径流还会导致环境污染和人类健康风险。近期突破这些局限的研究主要集中在添加助剂或设计纳米载体:助剂虽可增强附着性和持留性,但过量使用会引发生态毒理学问题;纳米载体虽前景可观,却常需复杂制备工艺且生产成本高昂。更严峻的是,即使农药历经艰辛抵达病源区域,病原菌形成的顽固生物膜仍会庇护共生菌群抵御外来药剂,进一步削弱防治效果。因此,现有策略均未能为农药施用过程中的多维问题提供系统解决方案,开发兼具高生物利用度、成本效益、环境友好性和生物膜破坏能力的多功能农药制剂势在必行。


图1:手性超分子抗菌材料的制备与应用。
AIM-12S与AIM-12R通过主客体识别与β-CD结合,形成具有显著形貌差异的多功能手性超分子组装体(AIM-12S/R@β-CD):AIM-12S@β-CD呈棒状针形结构,AIM-12R@β-CD则形成薄膜结构。这种结构差异直接转化为在水稻叶片表面截然不同的沉积行为,具体体现为接触角测量值的显著对比(AIM-12S@β-CD 116° vs AIM-12R@β-CD 49°)。凭借更强的沉积能力,AIM-12R@β-CD能更有效地穿透并破坏细菌生物膜,从而彻底清除宿居细菌,对稻黄单胞菌引起的水稻白叶枯病展现出更优异的防治效果。此外,蚯蚓生物安全性试验证实AIM-12R@β-CD具有良好的环境相容性。图中活菌与死菌分别以绿色和灰色荧光信号标示。

图2:超分子材料AIM-12S/R@β-CD的表征。
A 导电玻璃基底上AIM-12S、AIM-12S@β-CD、AIM-12R及AIM-12R@β-CD的扫描电镜图像。B 水溶液(200μg·mL⁻¹)中AIM-12S@β-CD与AIM-12R@β-CD的粒径分布。C AIM-12S(50μM)水溶液中随β-CD摩尔当量递增(0.0-2.0当量)的紫外可见滴定曲线。D AIM-12S@β-CD的高分辨质谱图。E 总浓度为50μM的AIM-12S与β-CD水溶液在344nm波长处的吸光度变化Job曲线。F AIM-12R(50μM)水溶液中随β-CD摩尔当量递增(0.0-2.0当量)的紫外可见滴定曲线。G AIM-12R@β-CD的高分辨质谱图。H 总浓度为50μM的AIM-12R与β-CD水溶液在344nm波长处的吸光度变化Job曲线。I AIM-12S的[ΔA]⁻¹与[β-CD]⁻¹线性关系的Benesi-Hildebrand曲线。J AIM-12R的[ΔA]⁻¹与[β-CD]⁻¹线性关系的Benesi-Hildebrand曲线。K AIM-12S、AIM-12S@β-CD、AIM-12R及AIM-12R@β-CD的Zeta电位(各体系中AIM-12S/R浓度均为200μg·mL⁻¹,AIM-12S/R与β-CD摩尔比为1:1)。(K)图中数据以均值±标准差表示,采用单因素方差分析及Duncan多重比较检验进行统计学分析,不同小写字母表示组间存在显著差异(n=3, p<0.05)。所有实验均进行至少三次生物学重复,具体样本量参见对应图示。源数据见源数据文件。

图3:水稻叶面200μg·mL⁻¹浓度下AIM-12S/R及AIM-12S/R@β-CD的叶面亲和性。
A 180秒内动态接触角演变的时序图像;B 180秒内接触角随时间变化曲线;C 38秒内动态表面张力变化;D 未处理与处理叶片的宏观对比;E,F 液滴从30cm高度飞溅(E)及15cm高度回弹(F)的高速成像; G 随时间变化的归一化接触直径(Dt/D0),数据来源补充影片2;H 随时间变化的归一化回弹高度(Ht/D0),数据来源补充影片2;I 不同制剂30°角喷雾后水稻叶片持液能力;J 表面沉积形貌扫描电镜图像;各体系中AIM-12S/R浓度均为200μg·mL⁻¹,AIM-12S/R与β-CD摩尔比设为1:1。(I)图中数据以均值±标准差表示,采用单因素方差分析及Duncan多重比较检验进行统计学分析:小写字母表示浸泡法组间差异,大写字母表示30°喷雾法组间差异(n=10, p<0.05)。所有实验均进行至少三次生物学重复,具体样本量参见对应图示。源数据见源数据文件。
本工作系统探究了手性超分子在农业体系中的对映体选择性行为,重点阐释了其对水稻白叶枯病的差异化防控效能及作用机制。在超分子组装前,全新设计的手性客体分子AIM-12S/R已在叶面附着与生物膜破坏方面呈现立体选择性差异。当其在水介质中与β-CD复合形成多功能超分子材料AIM-12S/R@β-CD后,这些差异被进一步放大:R构型AIM-12R@β-CD在叶面亲和性方面(表现为接触角减小、润湿性提升、沉积增强及飞溅回弹抑制)与等浓度下的生物膜清除效率均优于S构型对应物。因此,尽管体外抑菌活性相当,R构型凭借其优化的理化与生物学特性,最终展现出更卓越的体内功效。本研究首次揭示了手性超分子在农业场景中呈现体内功效对映体选择性的现象——在体外抗菌效力相近的表象下,叶面亲和性与生物膜破坏能力的差异成为主导因素,而这种等效性往往掩盖其对其他生物功能的立体选择性影响。据此,本研究为手性超分子的理性设计提供了关键参照,并强调必须深入阐释其表观惰性特性在农业系统中潜在的对映体选择性效应。
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