本研究由安徽农业大学的王庆（Qing Wang）、李奇悦（Qiyue Li）、王乐（Le Wang）、杨璐媛（Luyuan Yang）、胡紫辉（Zihui Hu）、王家辉（Jiahui Wang），阜阳师范学院的俞俊杰（Junjie Yu），以及安徽农业大学的通讯作者侯如燕（*Ruyan Hou）合作完成。研究成果以论文形式发表于学术期刊《Industrial Crops & Products》第227卷（2025年），文章编号120789，于2025年2月28日在线发表。论文标题为“优化介孔二氧化硅纳米递送系统的尺寸可增强农药在茶树中的吸收、运输和滞留”。
本研究属于农业纳米技术与植物保护科学的交叉领域，具体聚焦于纳米农药递送系统（Nano-delivery system）的优化与应用。研究背景在于，茶树作为一种重要的经济作物，易受刺吸式口器害虫的侵害。传统农药在防治此类害虫时面临效率低下、持效期短等问题，因为这些害虫通过刺穿植物维管组织吸食汁液，需要农药能够在维管组织中有效吸收、运输并持久存留。近年来，纳米技术，特别是纳米递送系统，因其能够实现农药的精准、可控和缓释释放，在提高农药利用率、减少环境影响方面展现出巨大潜力。其中，介孔二氧化硅纳米递送系统（Mesoporous silica nano-delivery system, MSN）因其高比表面积、良好的生物相容性和可调的颗粒尺寸等优点，被视为一种极具前景的纳米载体。然而，纳米递送系统的尺寸如何影响其在植物体内的吸收、运输和分布过程，目前尚不完全清楚。因此，本研究旨在通过合成不同尺寸的MSN来封装啶虫脒（Acetamiprid），并系统研究其在茶树叶片施用后的吸收、转运和分布规律，从而为设计最优粒径的纳米农药递送系统提供科学依据，最终实现茶树刺吸式害虫的长期有效防控并提高产量。
本研究的工作流程包含几个主要步骤：材料合成与表征、植物培养与处理、荧光可视化观察、农药吸收量化以及数据处理与分析。
首先，在材料制备方面，研究团队采用经典的Stöber法，通过调节反应体系中氨水的浓度，成功合成了平均直径分别为27纳米（小尺寸，MSN-D1）、54纳米（中尺寸，MSN-D2）和114纳米（大尺寸，MSN-D3）的三种单分散、有序介孔二氧化硅纳米颗粒（MSN）。随后，对MSN进行氨基化修饰，并进一步与荧光染料异硫氰酸荧光素（FITC）共价偶联，制备得到荧光标记的MSN（FL-MSN）。最后，通过物理吸附法将杀虫剂啶虫脒（Ace）负载到FL-MSN的孔道中，制备出负载农药的纳米递送系统（Ace@FL-MSN）。研究使用了透射电子显微镜（TEM）对纳米颗粒的形貌和尺寸进行表征，使用Zeta电位仪测量表面电位，使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证氨基化和荧光标记的成功，并使用热重分析（TGA）确认啶虫脒的成功负载。
其次，在植物实验部分，研究选用茶树品种‘龙井43’的一年生扦插苗，采用水培方式培养。培养28天后，将制备好的三种不同尺寸的Ace@FL-MSN悬浊液（2毫克/毫升）直接均匀施用于第三片叶的叶背（abaxial surface）。设置单独使用同等剂量啶虫脒（Ace）和清水作为对照，每组10个平行。处理后自然风干5小时，进行采样和后续分析。
第三，在可视化与定量分析方面，研究采用共聚焦激光扫描显微镜（CLSM）观察和比较不同尺寸Ace@FL-MSN在茶树叶片表面的附着、进入叶片内部组织的情况、在细胞内的亚细胞分布，以及它们向茎部维管组织进行长距离运输的能力。通过荧光信号（绿色）的强度和分布来定性评估纳米颗粒的运输行为。同时，为了量化农药本身的分布，研究采用液相色谱-串联质谱（LC-MS/MS）技术，精确测定了叶片不同亚细胞组分（细胞壁、细胞器、细胞可溶性组分）以及茎部韧皮部和木质部中啶虫脒的含量。亚细胞组分的分离采用差速离心法。样品前处理采用改进的QuEChERS方法。
本研究所获得的主要结果如下：
在材料表征方面，TEM图像证实成功合成了尺寸均一、球形且具有明显介孔结构的三种MSN。TGA曲线显示负载啶虫脒后样品质量损失增加，证实了啶虫脒的成功封装。FTIR谱图则证明了氨基化和FITC标记的成功进行。
在叶片附着与吸收方面，共聚焦显微镜观察发现，所有尺寸的Ace@FL-MSN在叶背表面均有良好附着。其中，27纳米的小尺寸颗粒由于比表面积大，易于团聚，荧光信号呈聚集状；而54纳米的中尺寸颗粒分散更均匀。更重要的是，对去除下表皮后的叶肉组织进行Z-Stack扫描发现，54纳米的中尺寸Ace@FL-MSN在叶片内部的荧光信号最强，表明其被叶片吸收的效率最高，显著优于27纳米和114纳米的颗粒。这初步证明了纳米颗粒尺寸对其被植物吸收效率有决定性影响。
在亚细胞分布方面，研究有了更深入的发现。54纳米的Ace@FL-MSN能够穿透细胞壁和细胞膜，均匀分布在细胞质中，并且观察到它们围绕在叶绿体周围分布。然而，它们无法进入叶绿体内部，研究者将此归因于其Zeta电位绝对值较低（<20 mV），根据前人研究，只有表面电荷（正或负）足够高的纳米颗粒才能跨越叶绿体膜。相比之下，114纳米的大尺寸颗粒主要积累在细胞壁和细胞间隙中；而27纳米的小尺寸颗粒大部分滞留在细胞壁附近，只有少部分未团聚的颗粒能够进入细胞质。这些结果表明，纳米颗粒尺寸显著影响了其进入细胞的能力。过小的颗粒容易团聚，团聚体尺寸增大限制了跨膜；过大的颗粒则直接受到细胞壁/膜尺寸屏障的限制；而中等尺寸（约50纳米）的颗粒在避免过度团聚和克服尺寸屏障之间达到了最佳平衡，从而表现出最高的细胞内存取效率。研究者指出，这一尺寸依赖性的细胞摄取规律与先前在动物细胞（如HeLa细胞）中使用介孔二氧化硅或其他纳米颗粒的体外研究结果高度一致，即最大摄取量通常发生在粒径约50纳米处，这很可能与受体介导的内存作用机制有关。本研究首次在活体植物（茶树）中验证了这一规律，具有重要的实际意义。
在长距离运输方面，研究结果与亚细胞分布观察相呼应。仅在施用54纳米Ace@FL-MSN的茶树茎部（处理叶的上方和下方茎段）检测到了明显的绿色荧光信号，表明只有这种中等尺寸的纳米颗粒能够通过共质体途径进入维管组织，并实现向茎部的运输。而27纳米和114纳米的颗粒则未在茎部被观察到，可能是因为它们被限制在细胞外空间，无法到达维管束。进一步观察茎部横切面发现，运输到茎部的54纳米颗粒主要积累在木质部中，在韧皮部和形成层中的含量较低。研究者解释，这可能与木质部导管间纹孔膜的尺寸排阻效应有关（孔径43-340纳米），限制了纳米颗粒的进一步移动，导致其在木质部中积累。这种在维管组织（尤其是木质部）中的积累特性，对于防治以刺吸维管汁液为生的害虫具有潜在优势。
在农药（啶虫脒）的分布方面，LC-MS/MS定量分析揭示了与纳米颗粒分布不同的模式。首先，在叶片亚细胞组分中，无论是游离的啶虫脒还是从纳米颗粒中释放出的啶虫脒，其分布模式一致，均优先分布于细胞可溶性组分（主要是液泡溶液）中，其次为细胞壁，在细胞器中含量最低。这表明纳米封装并未改变啶虫脒本身在细胞内的分布倾向，这与啶虫脒较高的水溶性和较低的log Kow值有关。然而，一个关键发现是，在所有Ace@FL-MSN处理组中，各亚细胞组分中检测到的啶虫脒含量均显著低于单独使用同等剂量游离啶虫脒的对照组。这强烈暗示，有相当一部分啶虫脒仍被封装在纳米颗粒内未被释放，说明了该递送系统具有缓释潜力。其次，在茎部维管组织中，啶虫脒的分布与纳米颗粒相反：在韧皮部中的含量高于木质部。这是因为啶虫脒作为小分子有机物，主要通过韧皮部进行运输。值得注意的是，54纳米处理组茎部韧皮部中的啶虫脒含量显著高于其他两个尺寸组。这可以解释为：一部分啶虫脒是从叶片运输到茎部的早期释放的农药；另一部分则是由已经运输到茎部维管组织中的纳米颗粒（特指54纳米颗粒）后续释放出来的。这种“运输后释放”的特性，是实现农药在植物体内持续吸收和运输、从而延长持效期的关键。
本研究的主要结论是：通过比较不同尺寸介孔二氧化硅纳米递送系统（MSN）对啶虫脒在茶树中吸收和运输的促进作用，发现尺寸约为54纳米的MSN表现出最佳的吸收和运输能力。该尺寸的纳米颗粒能够进入细胞，并通过共质体途径转运至茎部维管组织，主要在木质部积累。更重要的是，这些积累在维管组织中的纳米颗粒仍能持续释放啶虫脒，从而有可能在茶树体内实现农药的连续吸收和运输。这一特性对于通过刺穿植物维管组织取食的刺吸式口器害虫的防控至关重要。
本研究的科学价值在于，首次系统性地在活体木本双子叶植物（茶树）中揭示了纳米递送系统尺寸对其叶片吸收、细胞内存取、亚细胞分布及长距离运输行为的影响规律，特别是明确了约50纳米为最有利于细胞摄取和维管运输的尺寸范围，深化了对纳米农药在植物体内传输机制的理解。其应用价值在于，为设计面向刺吸式害虫防治的高效纳米农药递送系统提供了关键的尺寸优化依据。通过优化粒径，可以显著提升农药在靶标维管组织中的富集和滞留，有望实现减少施药频率、提高防治效果、增加茶叶产量并降低环境风险的目标。
本研究的亮点包括：1）研究视角新颖：聚焦于纳米递送系统尺寸这一关键设计参数对农药在植物体内全过程（吸收、转运、分布）的影响，填补了该领域知识空白。2）研究方法系统：结合了材料合成与表征、活体植物荧光成像示踪、亚细胞及组织水平农药定量分析等多种技术，从纳米载体和农药分子两个层面进行同步解析，证据链完整。3）重要发现明确：明确了约54纳米为介孔二氧化硅纳米载体在茶树中的最优化尺寸，并阐明了其能够进入细胞并实现维管运输的机制，同时揭示了纳米颗粒与所载农药在植物体内可能具有不同的运输和分布路径（颗粒积累于木质部，农药富集于韧皮部）以及系统的缓释潜力。4）应用导向清晰：研究结果直接指向茶树刺吸式害虫的绿色防控，为开发高效、持久的纳米农药产品提供了具体的理论指导和技术参数。
此外，研究中还观察到纳米颗粒无法进入叶绿体，这暗示了所使用的MSN材料可能对茶树的光合作用等生理功能影响较小，具有一定的生物安全性参考价值。同时，研究选择叶背作为施药部位，也是基于茶树叶背具有丰富气孔这一特性，为纳米农药的施用方式提供了依据。这些细节都增强了研究的完整性和实用性。