贵州大学杨松/周翔CEJ：构建 pH 响应型羧甲基纤维素钠席夫碱作为可持续纳米载体，增强疾病控制

天然 β‑咔啉生物碱去氢骆驼蓬碱（HM）表现出极强的抗植物病原细菌潜力，其对 Xoo 的EC₅₀仅 3.17 μg/mL，抑菌活性约为商用杀菌剂的 20 倍，具备极高开发价值。但 HM 自身水溶性极差、叶面润湿性差、易冲刷流失、生物利用度低，且对水生生物存在一定毒性，难以直接应用于农业生产。

羧甲基纤维素钠（CMC）来源广泛、可生物降解、生物相容性优异，是理想的农用高分子载体，但未改性 CMC 缺乏刺激响应能力与自组装成纳米结构的能力。席夫碱（–C=N–）具有典型酸敏感特性，可在病原菌侵染形成的弱酸性微环境（pH 5.5–6.5） 中断裂释放活性物质，为精准控释提供了化学基础。

基于此，贵州大学的杨松教授与周翔教授团队在《Chemical Engineering Journal》发表了一项研究，团队将 CMC 氧化为双醛 CMC（DCMC），与疏水性苄胺构建席夫碱结构，赋予载体自组装、pH 响应、叶面高黏附三大功能，以此包载 HM，实现 “靶向释药 + 稳附叶面 + 激活免疫 + 生态安全” 一体化的绿色纳米农药。

氧化反应：首先使用高碘酸钠 (NaIO4) 对CMC进行部分氧化，成功制备出双醛基羧甲基纤维素钠 (DCMC) 。

席夫碱缩合：随后，将DCMC与包括苄胺在内的多种疏水性小分子胺进行缩合反应，合成了一系列胺改性的DCMC席夫碱衍生物（如BZA-DCMC）。

自组装包封：最后，通过简单的磁力搅拌，使疏水性药物HM与BZA-DCMC在水溶液中发生共组装，形成载药纳米颗粒 (HM@BZA-DCMC) 。

Scheme 1.总体研究策略的示意图。

理化性质：最佳配方 HM@BZA-DCMC-1.0% 形成了均匀的球形纳米颗粒，平均直径为253 nm，Zeta电位为-42.77 mV，包封率高达85.89% 。

结构确认：FTIR、1H NMR和XPS光谱分析证实了醛基的消耗以及席夫碱键和苄胺基团的成功引入 。

MD模拟深度解析：分子动力学 (MD) 模拟为纳米聚合物的自组装提供了微观视角的证据 。模拟表明，系统在100 ns时达到结构稳定，均方根偏差 (RMSD) 稳定在 4.269±0.207 nm 。

分子间作用力：结合能计算揭示，π-π堆叠作用 (-828.65 ± 136.23 kJ/mol) 和氢键作用 (-149.34 ± 45.93 kJ/mol) 是驱动纳米颗粒聚集的主要分子间作用力 。HM分子通过 π-π 相互作用堆叠在BZA-DCMC的疏水空腔内，从而大幅提升了其水溶性 。

图. (b) 傅立叶变换红外光谱。 (c) 1H NMR 谱。 (d) BZA-DCMC 的全范围 XPS 测量光谱和 (e) 高分辨率 N 1 s 光谱。 (f) HM 负载材料悬浮液 (200 μg/mL) 的分散行为和丁达尔效应。

图. HM@BZA-DCMC的分子动力学模拟(A)以20 ns间隔记录的HM(黄色)和BZA-DCMC(绿色)系统的结构演化。(B)HM-BZA-DCMC系统的初始和最后配置。(C)HM(黄色)和BZA-DCMC(绿色)之间的分子间相互作用模式。(D)模拟过程中的均方根偏差(RMSD)和(E)溶剂可及表面积(SASA)曲线。LJ-SR和COUL-SR分别代表π-π堆积作用和氢键作用的强度。(F)HM与BZA-DCMC的结合能分布。(G)HM和BZA-DCMC之间的自组装机制示意图。

该纳米载体在模拟细菌感染过程的微酸性环境中表现出优异的pH响应性释放行为 。

在168小时后，pH 5.5条件下的HM累积释放量高达95.96%，而在中性 (pH 7.0) 和弱碱性 (pH 7.5) 条件下的释放量仅为84.40%和75.20% 。

动力学模型分析表明，该释放过程更符合Korsmeyer-Peppas模型，主要受Fickian扩散机制主导 。这种特性使得农药能够在病害发生的酸性微环境中实现按需释放 。

图. (A)在磷酸盐缓冲盐水中的pH依赖释放曲线。

接触角与表面张力：BZA-DCMC的引入显著改善了药液在水稻叶片上的润湿性，接触角从140.32° (纯HM) 降至131.79° (HM@BZA-DCMC) 。

抗冲刷能力：经过8分钟的洗脱测试，HM@BZA-DCMC在叶片上的保留率（51.4%）明显高于游离HM（36.2%）。

微观形貌：SEM图像显示，HM溶液在叶面上形成不规则聚集的针状晶体，极易滑落；而HM@BZA-DCMC能够形成一层致密的黏附薄膜，甚至深入气孔水平，大大提升了田间利用率 。

图. HM@BZA-DCMC(HM浓度：200μg/mL)在水稻叶片上的界面行为对照组包括相同浓度的HM(200μg/mL)和BZA-DCMC(1%，w/v)。(A)接触角测量和超过5分钟的动态润湿行为。(B)表面张力量度。(C)在1、2、4和8分钟后进行耐冲刷性评估。(D)液滴的反弹行为。(E)宏观喷射沉积图案。(F)液滴沉积的扫描电子显微镜图像，黄色、红色和蓝色箭头分别表示HM、BZA-DCMC和HM@BZA-DCMC。

活体防效：在盆栽实验中，HM@BZA-DCMC对水稻白叶枯病的控制效力达到44.24%，显著优于游离HM (32.54%) 以及商业杀菌剂叶枯唑和噻菌铜 。

杀菌机制：电镜 (SEM/TEM) 及荧光染色分析证实，HM@BZA-DCMC能造成病原菌细胞膜严重破裂、细胞质泄漏，并诱发细菌细胞凋亡 。

促进生长与免疫激活：转录组学与生理生化分析发现，BZA-DCMC载体本身能够上调茉莉酸 (JA) 介导的防御信号传导，增强宿主植物的免疫力并促进幼苗生长（干重增加19.43%）。

生态安全：斑马鱼毒性试验表明，将HM包裹在BZA-DCMC中，其对非靶标水生生物的毒性降低了近一半（LC50从0.68 mg/L提升至1.26 mg/L），展现出极高的环境安全性 。

图. HM@BZA-DCMC的释放动力学、生物有效性和安全性。(A)在磷酸盐缓冲盐水中的pH依赖释放曲线。(B)在不同pH值(HM浓度：10μg/mL)下对Xoo的体外抑菌活性。(C)施药后14d(HM浓度：200μg/mL)对水稻白叶枯病的体内防治效果。以市售杀菌剂Bt和TC为阳性对照。(D)治疗后14d的疾病控制效果。不同的字母表示有统计学意义的差异(Tukey‘s HSD检验，p&lt；0.05)。(E)对水稻植株的植物毒性评估。(F)斑马鱼毒性评价。(G)5d以上对水稻种子萌发的影响。

图. HM@BZA-DCMC(有效浓度为10μg/mL)、HM(10μg/mL)和BZA-DCMC(与HM@BZA-DCMC相同浓度)与Xoo细胞孵育15 h后的细菌形态、超微结构和膜透性。(A)Xoo细胞的扫描电子显微镜图像。标尺：1μm。(B)Xoo细胞超薄切片的电子显微镜图像。黑色、蓝色、红色、黄色和绿色箭头分别表示膜破裂、细胞质丢失、质壁分离、细胞内物质聚集和膜内陷。比例尺：2μm(顶行)和500 nm(底行)。(C)PI染色Xoo细胞的荧光成像。比例尺：10μm。(D)HM@BZA-DCMC(有效浓度：10μg/mL)在不同pH值下处理Xoo细胞后，PI染色荧光成像。比例尺：10μ/m。(E)用AO/EB双重染色分析Xoo细胞的凋亡。白色和蓝色箭头分别表示处于早期和晚期的细胞凋亡。比例尺：10μm。(F)提出了HM@BZA-DCMC对Xoo细胞的抗菌机理。

图. HM@BZA-DCMC(有效浓度：200μg/mL)和BZADCMC聚合物处理种子后14d的水稻幼苗的比较转录分析。(A)不同处理间的相关分析。(B)治疗组与对照组的差异表达基因(Deg)。(C)转录体维恩图：对照与HM@BZA-DCMC和对照与BZA-DCMC。(d和e)HM@BZA-DCMC和BZA-DCMC处理的GO富集度分析。横轴和垂直轴分别表示差异基因计数和GO项。(f和g)HM@BZA-DCMC和BZA-DCMC处理的KEGG富集度分析。横轴和垂直轴分别代表路径名称和丰富的因素。气泡大小和颜色渐变(从粉色到绿色再到蓝色)分别表示DEG数量和显著水平。较小的p值表示较高的重要性。