纳米技术可作为未来农业中对抗植物病原体的有前途的工具

提高农业产量以满足不断增长的粮食需求及其为不断增长的人口提供的安全至关重要。为了保护人类粮食供应和农业产出，病害防治至关重要。植物病害是经济作物生产和农产品跨境贸易的无声敌人，每年造成约 20-30% 的损失。如果能够准确、快速地检测和识别感染，就可以最大程度地减少这种情况，并可以给予专门的治疗。目前预防植物病害的方法完全依赖农用化学品，这生态系统产生不利影响。通过提高其溶解度、延长其保质期并降低其毒性，纳米技术可以以可持续和对环境负责的方式减少农药和杀菌剂的有害影响。工程纳米颗粒可通过使用纳米颗粒本身或作为杀菌剂和抗生素的载体来控制植物病害（图 1）。

图 1. 纳米在农业中的应用 

尽管使用纳米粒子有许多潜在的好处，但很少有基于纳米粒子的产品能够在商业上用于更广泛的应用。为了快速准确地发现植物病害，纳米技术系统与分子诊断的结合可以作为一种替代方案，可以在便携式小型设备上进行检测。通过最大限度地减少化学品的使用并采用快速识别感染的方法，纳米技术可以可持续地最大限度地减少病害治理中的许多问题。这篇综述概述了植物病害诊断及其管理中使用的工具和技术，并解释了纳米技术的工作原理，以及当前的工具及其对植物保护未来的前景。

挑战和机遇

纳米技术有可能彻底改变当前的害虫管理技术，并有可能为农业应用提供答案。纳米农药的发展有望带来许多前所未见的优势，例如：（i）提高农药的溶解度；(ii) 当农药负载到毒性较小的纳米粒子上时，农药的生物利用度和功效得到提高；(iii) 延长活性成分的保质期并有组织地针对特定目标供应；(iv) pH依赖性释放；(v) 用于疾病管理的 RNAi 分子的智能递送；(vi) 紫外线稳定性和耐雨性，并延迟活性成分的降解；(vii) 改善选择性毒性并对抗农药抗性。

正如前面的解释所表明的那样，纳米农药由于其对环境和人类健康的潜在优势，显然是一种理想的发展。然而，农业纳米技术尚未上市。由于大部分纳米颗粒农药仍处于开发萌芽阶段，因此需要进一步研究以确定纳米农药对土壤和环境的有效性和毒性（图 2）。

图 2. 用于植物病原体检测的不同纳米技术工具的图示

在农药的使用方面，监管机构尚未对纳米农药的构成给出明确的定义。与传统农药相比，纳米农药的效果可能取决于纳米颗粒的生物利用度、浓度、吸收和毒性，以及与其相关的活性成分的比例。人们对农药抗性问题以及添加纳米粒子可以降低其流行率的可能方法缺乏了解。如果不应用复杂的分析工具，就不可能制定风险评估的监管标准。此外，纳米材料制造的增加对生态系统健康的影响也引起了一些批评。一个可悲的现实仍然是，迄今为止，纳米材料的使用还没有明确的协议和监管标准，特别是在土壤和水生生态系统中。此外，农民和农业利益相关者可能缺乏对纳米技术及其潜在好处的认识和理解。需要有效的知识转移、教育和培训计划来弥补这一知识差距并确保纳米技术在农业中的成功实施。此外，将纳米技术成功融入现有农业实践可能具有挑战性。研究人员和行业需要共同努力开发可扩展且实用的解决方案，这些解决方案可以被农民轻松采用，而不会破坏他们现有的农业实践。

通过研究、合作和负责任的实施来应对这些挑战对于充分发挥纳米技术在农业中的潜力并确保其实用或“现场”方法至关重要。为了防止农药抗性，现在必须交替施用多种农药，未来的商业用途将需要多种纳米农药（图 3）。

图 3. 应用不同纳米粒子实现植物病害防治

需要考虑许多因素，包括缺乏对纳米农药长期田间试验结果和安全特性的了解、制造成本高、所需量大、监管不确定性以及公众意见。通过使用新的工具和技术来生成用于分析、表征和风险评估的可靠数据，可以促进获得监管机构的许可。材料科学家和生物学家必须紧密合作，引入来自多个领域的互补人才，以更深入地了解复杂生物纳米系统中的基本相互作用机制。完全了解纳米颗粒的结构特性，包括它们的形状、尺寸、官能团和活性吸附/负载能力，可以帮助合理选择最合适的纳米颗粒。采用可靠且可重复的方法也至关重要，以便在尽可能接近现场的条件下在细胞、生物体和害虫宿主生态系统水平上进行生物相容性和功效实验（图 4）。

图 4. 金属和金属氧化物纳米粒子在植物病害管理中的应用

关于纳米颗粒生产有用产品的潜力的研究正在进行中，这对农业纳米技术研究和开发的未来来说是令人鼓舞的。有必要告知利益相关者储存 SLN 的理想温度，以解决药物排出问题，因为 SLN 的晶体结构可能会因储存条件下的结晶过程而导致药物排出。与中性和阴离子物质相比，表面带正电荷的纳米粒子 (MSN) 具有很大的细胞毒性作用。因此，通过告知利益相关者他们应该购买或提供给客户的纳米粒子类型，可以消除这种限制。为了避免细胞毒性问题，建议使用阴离子和中性纳米颗粒。一些研究发现，与某些金属纳米颗粒（例如银纳米颗粒（Ag NP）和金纳米颗粒（Au NP））长期相互作用或接触会产生有害影响。这一限制可以通过将天然材料合成的绿色或纳米粒子来解决，以确保环境安全并保护人类、其他植物、动物和微生物免受其毒性风险。生物学家必须与材料科学家密切合作，并寻求其他学科专家的帮助，以更深入地了解生物纳米技术系统的基本联系和机制。在生物体、害虫宿主环境和细胞水平上进行功效和生物相容性研究需要选择一个值得信赖且可重复的框架。

现有的商业限制

由于纳米技术在农业领域的前景广阔，例如其管理肥料、农药和其他材料的新技术，实现可持续和环境友好的农业技术可能最终成为现实。根据最近的研究，蚯蚓是一种有益的土壤生物，但可能会受到纳米材料的伤害。作者总结了对食品和农业中纳米颗粒安全担忧的增加。他们专注于最典型的暴露途径和导致纳米毒性的元素。由于新兴技术的发展，环境正暴露于越来越多的人造纳米材料中。纳米载体在农业中的应用目前受到生产规模和价格的限制。纳米材料的大规模制造及其在农业中的成功应用将大大降低成本。农业用纳米材料面临着充满挑战的商业化过程，需要良好保护的材料、卓越的测试优先级、精确的风险评估和全球监管指南。即使允许销售散装纳米材料，许多商业纳米材料也比其同类材料危害更大。纳米材料的多种用途，包括其制造、毒性和现场利用，仍然需要更多的研究。

总结及讨论

纳米技术可以提高抗病性、养分利用、植物生长和控制农药施用（图 5）。通过使用环保的纳米胶囊，可以更有效、更准确地利用农药、杀菌剂、杀虫剂和除草剂。纳米技术的研究和开发对于保持质量和新鲜度同时帮助预防疾病是必要的。随着纳米技术的使用增加，绿色化学的应用减少了对有害溶剂的需求，从而实现了作物保护。 

图 5. 纳米颗粒对植物病原体的毒性的可能机制

由于生物技术和纳米技术的利用，现在很大一部分人口可以保护和生产农作物。纳米材料对环境的影响是显而易见的，尽管由于其独特的物理和化学性质尚未确定。鉴于在农业中使用纳米材料的新颖性，需要进一步的研究。预计作物保护系统的成本和环境友好性将受到纳米材料的显着影响。利用纳米技术将加强疾病诊断，实现病原体和植物的分子操纵，并促进温室和田间疾病控制尖端方法的构建（图 6）。 

图 6. 纳米粒子和土壤微生物之间的多种相互作用

随着越来越多的研究致力于寻找、改变和应用纳米技术，相信全球粮食供应的障碍将会被消除。现在，只有少数实验室正在研究纳米技术在植物病理学中的应用。随着纳米技术和纳米粒子在农业研究中的使用，植物基因组学和基因功能的研究可以得到推进。纳米颗粒可用于将基因传递给植物、培育抗病植物并增强作物品种。与通过病毒诱导的基因沉默来传递病毒核苷酸相比，用核苷酸设计的纳米颗粒将提供多种好处。未来的作物改良和病虫害抗性可能通过纳米颗粒介导的基因传递来实现。未来设计的纳米颗粒的应用可能是巧妙地将核苷酸传递到植物中，例如 siRNA。这些纳米颗粒中的核苷酸可用于增强对疾病的抵抗力。纳米杀菌剂的开发可能具有一些优势，包括提高杀菌剂功效和生物利用度、降低毒性、提高难溶性杀菌剂的溶解度、活性成分的靶向运输、特定释放和延长保质期。在各种纳米颗粒和其他纳米材料中，农用纳米杀菌剂、何首乌和生姜精油纳米制剂在控制多种作物上的植物病原真菌方面被证明是有效和安全的。纳米技术有潜力扩大农业应用并改变目前用于管理植物病原真菌的方法。还有很长的路要走，但纳米技术已经为可持续方法铺平了道路。 

https://doi.org/10.3390/agriculture13091856