作物栽種也追求“天時(shí)地利”，其中溫度就是一個很重要的因素，過高的溫度在農(nóng)業(yè)上稱之為“熱害”，不僅會使葉綠素被破壞，有機(jī)物的運(yùn)輸受阻，最終導(dǎo)致作物產(chǎn)率低，影響生產(chǎn)力；還會導(dǎo)致作物“抵抗力”降低，對于外界生物或非生物的侵害更加敏感。目前市面上不缺少相關(guān)農(nóng)用化學(xué)品，但是在活性劑利用率方面卻乏善可陳：因植物天然屏障的作用，僅0.1%的有效成分達(dá)到植物內(nèi)部，其余進(jìn)入環(huán)境，對水和土壤造成污染。因此，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)Gregory V. Lowry教授等人開發(fā)出一種隨pH與溫度響應(yīng)的農(nóng)藥載體：聚（丙烯酸）-嵌段聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PAA-b-PNIPAm），該載體可有效通過葉片進(jìn)入植物體內(nèi)，到達(dá)靶向位置，并在一定pH和溫度環(huán)境下精確釋放農(nóng)藥，從而實(shí)現(xiàn)有效治療。該成果以“Temperature and pH Responsive Star Polymers as Nano-Carriers with Potential for In Vivo Agrochemical Delivery”為題于2020年7月6日發(fā)表于《ACS NANO》
1、PAA-b-PNIPAm星形聚合物的合成
如圖1所示，利用“先核”法，制備了具有相同PAA和4種不同PNIPAm嵌段長度的PAA-b-PNIPAm星形聚合物（m=50,150,300,450），平均粒徑30nm及以下，星形聚合物表現(xiàn)出類似于由線性兩親嵌段共聚物形成的膠束結(jié)構(gòu)，但是它不離解，多分散性較聚合物膠束小。
2、不同PAA/PNIPAm比例星形聚合物的結(jié)晶紫負(fù)載及體外控釋研究
以結(jié)晶紫（CV）為抗菌劑，通過CV胺基與PAA中羧基的靜電吸引成功將CV負(fù)載在聚合物上（圖2a）。每個聚合物負(fù)載質(zhì)量在186±63至263±54 mg CV g-1之間，高PNIPAm含量的聚合物CV負(fù)載量降低。如圖2b，c所示，同pH同T下，PAA50-bPNIPAm50比PAA50-b-PNIPAm450釋放出更多的CV。PAA50-bPNIPAm50在pH為6.0和7.5時(shí)表現(xiàn)出明顯的溫度響應(yīng)CV釋放；對于PAA50-b-PNIPAm450而言，pH為4.5和6.0時(shí)表現(xiàn)出溫度響應(yīng)CV釋放。因此，體外釋放數(shù)據(jù)表明，可以根據(jù)植物不同部位pH，設(shè)計(jì)不同PAA/PNIPAm比例的載體，靈活實(shí)現(xiàn)不同部位下農(nóng)藥的高效釋放。
3、星形聚合物在番茄植株中的吸收和運(yùn)輸
以Gd3+為示蹤劑，評估植物組織中PAA-b-PNIPAm聚合物的吸收、轉(zhuǎn)運(yùn)與農(nóng)藥釋放。圖3a，b所示，當(dāng)聚合物濃度為1.0 g L-1時(shí)，24±6%的PAA50-b-PNIPAm50和14±9%的PAA50-bPNIPAm450聚合物從最初的葉片區(qū)運(yùn)輸?shù)狡渌M織；降低聚合物濃度（圖3c，d），轉(zhuǎn)移比率升高，有35±18%的PAA50-b-PNIPAm50和43±21%的PAA50-b-PNIPAm450聚合物有轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。
表明PAA-b-PNIPAm聚合物的使用可以有效促進(jìn)植物將農(nóng)藥向各個組織進(jìn)行轉(zhuǎn)移，解決了農(nóng)藥不能被植物有效吸收的問題。并且從圖3得出，PAA-b-PNIPAm聚合物濃度對植物的轉(zhuǎn)運(yùn)模式也有影響，較低濃度時(shí)，輸送到根部的聚合物比例明顯增加，而高濃度時(shí)聚合物在葉片與莖稈處較多。因此低濃度的聚合物可以更好地進(jìn)入植物根部，從而被其他組織吸收。
為證明表面活性劑Silwet L-77可增加聚合物吸收，利用增強(qiáng)型暗場顯微鏡結(jié)合高光譜成像技術(shù)與葉片進(jìn)行成像。圖4顯示了有無表面活性劑處理的葉片組織成像：無Silwet L-77處理的葉片（圖4b，c，h，i），載CV的PAA50-b-PNIPAm50與PAA50-b-PNIPAm450聚合物大部分存在于垂周壁（即垂直于徑向的細(xì)胞壁）、質(zhì)外體（由細(xì)胞壁、細(xì)胞間隙和導(dǎo)管組成的系統(tǒng)，運(yùn)輸?shù)闹饕ǖ溃┡c角質(zhì)層（第一道吸收屏障）中間，表明無Silwet L-77處理，聚合物也可以穿過植物的角質(zhì)層，但是并沒有通過表皮層（第二道吸收屏障）；當(dāng)Silwet L-77處理后，發(fā)現(xiàn)表皮不存在聚合物（圖4e，f，k，l），并且葉片導(dǎo)管周圍存在聚合物，表明Silwet L-77處理后，聚合物能夠穿透屏障達(dá)到葉肉組織，并且聚合物主要通過導(dǎo)管系統(tǒng)運(yùn)輸。上述實(shí)驗(yàn)表明，表面活性劑可以改善通透性，增加聚合物在植物中的運(yùn)輸能力，為下一步轉(zhuǎn)運(yùn)打下基礎(chǔ)。
4、PAA-b-PNIPAm聚合物在植物體內(nèi)的溫度響應(yīng)CV釋放
將游離CV和負(fù)載CV聚合物滴加在葉片上，獲得游離CV和CV-star光譜，以檢測葉片中的CV是否成功被釋放。圖5a，b所示，40℃下CV-star光譜要比20℃下CV-star光譜更接近于游離CV的吸收光譜，因此40℃下，CV釋放更多，表明PAA-b-PNIPAm聚合物在植物體內(nèi)具有溫度響應(yīng)型CV釋放。
5、小結(jié)
總的來說，PAA-b-PNIPAm星形聚合物在番茄植株中表現(xiàn)出顯著的農(nóng)藥負(fù)載能力、體內(nèi)外溫度和pH響應(yīng)釋放特性，以及顯著的葉片吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)能力，有助于對抗因高溫所引起的植物病害。下一步工作是在更多植株上進(jìn)行應(yīng)用，對其普適性進(jìn)行評估，以期成為納米農(nóng)藥中的新星。
