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植物病毒严重影响农作物产量和品质，如玉米褪绿斑驳病毒、小麦线条花叶病毒、马铃薯 Y 病毒等，每年在全球造成的经济损失超过 600 亿美元，严重威胁粮食安全。

植物病毒的传播途径、范围非常广泛。可以在植物细胞内寄生，也可以在自然界中通过昆虫、花粉或种子传播；有些植物病毒可进入昆虫腔肠，使其终生具备散播病毒的能力。目前的植物病毒的防控主要依赖化学农药，与其他病原体（如害虫、真菌）导致的植物病害不同，病毒的侵害特性使得传统化学农药的靶向性和有效性下降，通常需要反复多次施药才能起到控制效果；另一方面，病毒的变异又迫使更大剂量化学农药的使用，危害生态和食品安全。因此，发展高效、靶向的新型抗病毒农药迫在眉睫。

当前，纳米技术在农业领域的应用已成为国际研究的新热点。近日，江南大学教授团队发表在 Nature Catalysis 的文章“”表明了一种手性纳米粒子（3 nm Cu1.96S）可快速通过叶片气孔进入植物细胞，精准识别烟草花叶病毒外壳蛋白亚基，高效杀灭烟草花叶病毒，阻断烟草花叶病毒对农作物的侵染。

目前市面上所宣称的“纳米”农药意为药剂分子的“剂型尺度”，其作用机理与化学农药无异。与此不同，该研究的手性纳米粒子以特异性破坏病毒外壳蛋白的方式杀灭病毒，且不产生抗药性、无残留，是一种绿色的新型农药。

该研究来自江南大学、教授团队与美国密歇根大学、巴西圣卡洛斯联邦大学、伊利诺伊大学、中国农业科学院烟草研究所的合作。生辉 Agri Tech 联系到该文章通讯作者之一、江南大学食品学院胥传来教授，就这一研究成果进行了专访。

研究领域为生物界面与生物检测，以第一作者或通讯作者在国际一流期刊上发表论文 300 多篇，目前担任 Food Agricultural Immunology 期刊主编。

（来源：受访者提供）

手性纳米粒子在生命体系中具有生物效应

手性，是一个立体概念，指物体的镜像不能与本身完全重合的特性，就如同左手和右手互为镜像而无法叠合。2001 年，三位利用手性催化剂生产手性药物的科学家被授予诺贝尔化学奖。如今，手性合成已成为 21 世纪的重要研究领域，广泛用于生命科学。

▲图 | 手性分子示例（来源：维基百科）

在发展抗植物病毒的手性农药之前，研究团队一直主要针对人类病毒性感染进行纳米生物材料开发，同时开展基于抗体标记的免疫分析方法开发，在可视化的分析过程中进行抗体标记，该团队率先发现了手性等离子体材料的卓越检测性能，研发了一系列免疫快速检测试纸条、试剂盒、亲和层析柱、免疫磁珠等广泛应用于食品、农产品、环境中的风险因子的日常监测。

考虑到生物大分子的纳米尺度特性以及识别中的立体选择性，团队继而开展与生物分子结构域匹配的手性纳米颗粒研制，来调控生命过程。研究团队在 2018 年发展了可媲美限制性内切酶的 CdTe 手性材料， 2021 年研制了特异性杀灭乙肝病毒的手性硫化铜纳米材料。

“前期的工作已经证明，无机手性纳米材料的结构可以像天然的蛋白酶，精确识别生物分子特定位点；还可在光的作用下降解 Aβ 淀粉样蛋白，缓解阿尔兹海默症。” 介绍，手性纳米药物的临床应用非常漫长，“所以我们希望同时将手性纳米技术推向另一个领域——可持续农业。”采用植物生长本身所需的无机盐为原料，发展靶向纳米农药，对环境和作物友好，可能为农药的研发带来变革性思路。

烟草花叶病毒（Tobacco mosaic virus，TMV）是第一个被人类发现的植物病毒，极易传播、性能稳定，侵染多种重要经济作物，能在多种植物上越冬，严重影响农作物产量和品质。因此，该团队以 TMV 为对象，开展手性纳米材料合成。

“TMV 外壳是由 2130 个蛋白亚基形成的螺旋管状结构，内管直径约 4nm，遗传物质单链 RNA 在其中。根据这种结构特点和尺度，我们对先前的硫化铜纳米颗粒进行结构改造，使之变小，同时也进行了‘手性’的设计。3 纳米的硫化铜纳米颗粒可以较好地进入 TMV 病毒的内孔，通过与蛋白亚基特定位点亲和，稳定地结合在孔内。右手性纳米颗粒与 TMV 蛋白亚基的结合力更强，是左手性颗粒的 20 倍。

▲图 | 烟草花叶病毒衣壳蛋白与 3 nm Cu1.96S 合成途径（来源：[1]）

高效特异结合病毒或生物大分子，农业、医药、食品应用广泛

化学类农药的靶点通常为病原体的某些生物靶点，这些靶点往往存在于一些执行重要生理功能（如神经传导）和信号通路上。在农药的选择压力下，病原体通过变异“躲过”这些靶点所受到的“死亡威胁”，农药便失效。手性纳米粒子杀灭病毒的独特机制，不会诱导病原体抗性，具有更好的生物安全性。

在该工作中，以 D-青霉胺为表面配体，手性 3 nm Cu1.96S 纳米粒子特异性识别病毒蛋白衣壳中的 Q99ANPTTA105 位点，手性纳米粒子的 位点选择性，使这种 “量身定制”的纳米粒子与 TMV 的特异性结合力达到了107L/ M，能够在阳光照射下高效地特异性杀灭 TMV 病毒（与其他病毒衣壳的亲和力则要低 3000-10000 倍）。在太阳光的辅助下，衣壳蛋白第 101 位的天冬酰胺（Asp,Q）和第 102 位的脯氨酸（Pro, P）之间的肽键断裂，导致病毒衣壳裂解，相当于破坏病毒的物理屏障，令孔内的核酸暴露、进而降解；这种杀灭作用并非针对病毒生理代谢途径，因此不诱导病毒变异，也不会给任何变异病毒逃逸机会。

▲图 | 纳米粒子与衣壳蛋白作用位点（来源：[1]）

进一步研究证实，用该粒子水溶液（1 μM，5mL/株）喷洒受 TMV 侵染的作物，3 天内超过 95% 的病毒即可被清除，效率显著高于目前所有抗植物病毒的化学农药。它通过植物叶面气孔，进入植物细胞发挥杀病毒作用，在此过程中一价铜氧化为二价铜离子，被植物快速吸收，利用率高。施药所用铜元素浓度远小于土壤和植物本身存在的基础铜含量，研究团队通过监测作物的根、茎、叶以及土壤等，进一步验证施药对作物或土壤中的铜含量无改变。该手性纳米农药有望作为一种绿色、安全的新型农药，为手性纳米材料的应用找到新方向。

“接下来，我们计划将之推广应用。”对此，表示对此需要进行更大规模的田间试验，监测配药剂量、施药间隔等问题。尽管实验条件下其效率远胜于传统农药，但实际中还要考虑目标农田周围的 TMV 发生情况，以此决定有效保护作物的药物浓度；以及观测其对于不同茄科植物、不同生长期植物的作用效果。 对于其他植物病毒，受生物安全的限制，该团队尚未进行广泛研究，“植物病毒的实验涉及生物安全问题，必须和国家农科院等有资质的院所合作。”

手性纳米材料靶向杀灭 TMV 的工作，打开了新的视野。“我们发现，所有生命体系的相互作用都取决于独特的结构和空间构象，我们发展与之构象、尺度相匹配的纳米材料，为我们未来开展更复杂层面上的生命调控提供了基本策略。”另外，对于应用层面，认为一定要考虑纳米颗粒的生命周期——如何发挥作用、又如何排出动植物体、是否影响生态安全。

作为来自食品学院的研究人员，也介绍了纳米粒子在食品领域的潜能。根据人体肠道上皮细胞与肠道微生物的表面受体，该团队以微量元素为材料，开展特异性亲和力的手性纳米粒子设计，有望调控肠道稳态、进而改善机体健康与免疫力。

参考资料：

1.

2.https://mp.weixin.qq.com/s/ejrOczhYACB_L6HvSfixFw

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