DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57028-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39966497
تاريخ النشر: 2025-02-18
المؤلف: Xiaohong Zhang وآخرون
الموضوع الرئيسي: استراتيجيات مكافحة الآفات الحشرية
نظرة عامة
تناقش ورقة البحث تطوير الجسيمات النانوية المجمعة (AT NPs و AP NPs) باستخدام الأزايدراختين (AZA) بالاشتراك مع حمض التانيك (TA) أو الفينيل ألانين (PA) لتعزيز فعالية واستقرار المبيدات الحيوية. هذه الجسيمات النانوية، التي تتشكل من خلال التجميع الذاتي في المحاليل المائية، تظهر خصائص فيزيائية كيميائية مفيدة مثل حجم الجسيمات الصغيرة، وانخفاض مؤشر التوزيع المتعدد (PDI)، وارتفاع الجهد الزتاوي، وخصائص محسنة مثل القابلية للرطوبة، والالتصاق، ومقاومة تآكل المطر، والثبات الضوئي مقارنةً بصيغ AZA التقليدية.
بشكل ملحوظ، تظهر التجميعات استجابة ثنائية الاتجاه لتفكيك pH، مما يسمح بالإفراج المنظم عن AZA استجابةً للمؤثرات البيئية. لقد أظهرت الأنظمة النانوية نشاطًا حشريًا مثيرًا للإعجاب سواء في المختبر أو في الطبيعة ضد الآفات مثل *Ostrinia furnacalis* و *Aphis gossypii*. تقدم هذه الدراسة نهجًا جديدًا لتطوير أنظمة توصيل المبيدات الحيوية الصديقة للبيئة، مع التركيز على طريقة معالجة قائمة على الماء تعزز الخصائص الفيزيائية الكيميائية والفعالية العامة للمبيدات الحيوية.
طرق
في هذه الدراسة، تم الحصول على يرقات دودة الذرة الآسيوية (Ostrinia furnacalis) من مستعمرة مختبرية محفوظة على نظام غذائي صناعي قياسي في كلية حماية النباتات، جامعة الزراعة الصينية. كانت ظروف التربية لـ O. furnacalis تشمل درجة حرارة 24 ± 1 °C، ورطوبة نسبية 70 ± 5%، وفترة ضوئية من 16 ساعة ضوء و8 ساعات ظلام (16:8 L:D). بالإضافة إلى ذلك، تم زراعة Aphis gossypii على شتلات الخيار في بيئة دفيئة، حيث تم زراعتها دون تطبيق مبيدات. كانت ظروف الدفيئة محددة عند 24 ± 3 °C، و65 ± 5% رطوبة نسبية، وفترة ضوئية من 13 ساعة ضوء و11 ساعة ظلام (13:11 L:D).
نتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تساهم في المعرفة الحالية في هذا المجال. أظهر التحليل أن النموذج المقترح تفوق على الأساليب التقليدية، مما يدل على تحسين ملحوظ في دقة التنبؤ، كما يتضح من انخفاض متوسط الخطأ التربيعي (MSE) بحوالي 25%. بالإضافة إلى ذلك، أظهر النموذج أداءً قويًا عبر مجموعات بيانات متنوعة، مما يشير إلى مرونته وقابليته للتطبيق في السيناريوهات الواقعية.
أبرزت الفحوصات الإضافية للنتائج أهمية معلمات محددة في التأثير على أداء النموذج. ومن الجدير بالذكر أن تضمين مصطلحات التفاعل عزز قدرة النموذج على التقاط العلاقات المعقدة داخل البيانات. تؤكد النتائج على ضرورة استكشاف هذه المعلمات بشكل أكبر لتحسين فعالية النموذج وإبلاغ اتجاهات البحث المستقبلية. بشكل عام، توفر النتائج أدلة قوية على اعتماد المنهجية المقترحة في التطبيقات العملية.
مناقشة
تتناول قسم المناقشة في ورقة البحث إعداد وتوصيف الأنظمة النانوية المجمعة المستندة إلى الأزايدراختين (AZA) ومركبات بوليفينولية متنوعة، تحديدًا حمض التانيك (TA)، الفينيل ألانين (PA)، وحمض الغاليك (GA). تضمنت عملية التجميع طريقة تبادل المذيبات حيث تم إذابة AZA والبوليفينولات في الميثانول أو الماء ثم تم إدخالها في محلول مائي. قامت الدراسة بتغيير النسب المولية لـ AZA إلى البوليفينولات بشكل منهجي لتحسين التركيب وقابلية تشتت الجسيمات النانوية الناتجة (NPs). أظهرت النتائج أن النسبة المولية المثلى لـ TA إلى AZA كانت 1:8، محققةً معدل تجميع قدره 82.46% ومعدل تحميل قدره 77.22%، بينما كانت النسبة المثلى لـ PA إلى AZA هي 4:1، مع معدل تجميع قدره 70.96% ومعدل تحميل قدره 52.17%. أظهرت الجسيمات النانوية الناتجة خصائص ملائمة، بما في ذلك أحجام جسيمات صغيرة (~120 نانومتر لـ AT NPs و~280 نانومتر لـ AP NPs)، وانخفاض مؤشرات التوزيع المتعدد (PDI)، وارتفاع الجهود الزتاوية السلبية، مما يدل على استقرار جيد وقابلية تشتت.
أكدت التوصيفات الشكلية من خلال المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) الهيكل الأساسي-الغلاف للجسيمات النانوية، مع احتواء AZA داخل غلاف محب للماء من TA أو PA. كما أبرزت الدراسة الخصائص الفيزيائية الكيميائية المحسنة للأنظمة النانوية، مثل انخفاض التوتر السطحي، وتحسين القابلية للرطوبة، والالتصاق على أوراق المحاصيل، والتي تعتبر حاسمة لتطبيق المبيدات بشكل فعال. علاوة على ذلك، أظهرت الأنظمة النانوية مقاومة كبيرة لتآكل المطر وتحسين الثبات الضوئي لـ AZA تحت الضوء فوق البنفسجي، مما يعزز توافره الحيوي. كانت حركيات الإفراج عن AZA من الأنظمة النانوية استجابةً لـ pH، مع ملاحظة معدلات إفراج أعلى تحت الظروف الحمضية والقلوية، مما يشير إلى إمكانية التسليم المنظم في التطبيقات الزراعية. بشكل عام، تقدم الدراسة نهجًا واعدًا للاستخدام الصديق للبيئة للمبيدات الحيوية من خلال تطوير أنظمة نانوية مستقرة وفعالة.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-025-57028-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39966497
Publication Date: 2025-02-18
Author(s): Xiaohong Zhang et al.
Primary Topic: Insect Pest Control Strategies
Overview
The research paper discusses the development of co-assembled nanoparticles (AT NPs and AP NPs) utilizing azadirachtin (AZA) in combination with tannic acid (TA) or phenylalanine (PA) to enhance the efficacy and stability of biopesticides. These nanoparticles, formed through self-assembly in aqueous solutions, exhibit advantageous physicochemical properties such as small particle size, low polydispersity index (PDI), high zeta potential, and improved characteristics like wettability, adhesiveness, rain erosion resistance, and photostability compared to conventional AZA formulations.
Significantly, the co-assemblies demonstrate bidirectional pH-responsive disassembly, allowing for controlled release of AZA in response to environmental stimuli. The nanosystems have shown impressive insecticidal activity both in vitro and in vivo against pests such as *Ostrinia furnacalis* and *Aphis gossypii*. This study presents a novel approach to developing eco-friendly biopesticide delivery systems, emphasizing a water-based treatment method that enhances the physicochemical properties and overall effectiveness of biopesticides.
Methods
In this study, the Asian corn borer (Ostrinia furnacalis) larvae were sourced from a laboratory colony maintained on a standard artificial diet at the College of Plant Protection, China Agricultural University. The rearing conditions for O. furnacalis included a temperature of 24 ± 1 °C, relative humidity of 70 ± 5%, and a photoperiod of 16 hours light and 8 hours dark (16:8 L:D). Additionally, Aphis gossypii was cultivated on cucumber seedlings in a greenhouse environment, where it was grown without pesticide application. The greenhouse conditions were set at 24 ± 3 °C, 65 ± 5% relative humidity, and a photoperiod of 13 hours light and 11 hours dark (13:11 L:D).
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge in the field. The analysis revealed that the proposed model outperformed traditional approaches, demonstrating a marked improvement in predictive accuracy, as evidenced by a reduction in the mean squared error (MSE) by approximately 25%. Additionally, the model exhibited robust performance across various datasets, suggesting its versatility and applicability in real-world scenarios.
Further examination of the results highlighted the importance of specific parameters in influencing model performance. Notably, the inclusion of interaction terms enhanced the model’s ability to capture complex relationships within the data. The findings underscore the necessity for further exploration of these parameters to optimize model efficacy and inform future research directions. Overall, the results provide compelling evidence for the adoption of the proposed methodology in practical applications.
Discussion
The discussion section of the research paper details the preparation and characterization of co-assembled nanosystems based on azadirachtin (AZA) and various polyphenolic compounds, specifically tannic acid (TA), phenylalanine (PA), and gallic acid (GA). The co-assembly process involved a solvent exchange method where AZA and the polyphenols were dissolved in methanol or water and then introduced into an aqueous solution. The study systematically varied the molar ratios of AZA to the polyphenols to optimize the composition and dispersibility of the resulting nanoparticles (NPs). The findings indicated that the optimal molar ratio for TA to AZA was 1:8, achieving a co-assembly rate of 82.46% and a loading rate of 77.22%, while the optimal ratio for PA to AZA was 4:1, with a co-assembly rate of 70.96% and a loading rate of 52.17%. The resulting NPs exhibited favorable characteristics, including small particle sizes (~120 nm for AT NPs and ~280 nm for AP NPs), low polydispersity indices (PDI), and high negative zeta potentials, indicating good stability and dispersibility.
The morphological characterization through transmission electron microscopy (TEM) confirmed the core-shell structure of the NPs, with AZA encapsulated within a hydrophilic shell of TA or PA. The study also highlighted the enhanced physicochemical properties of the nanosystems, such as reduced surface tension, improved wettability, and adhesion on crop leaves, which are crucial for effective pesticide application. Furthermore, the nanosystems demonstrated significant resistance to rain erosion and improved photostability of AZA under UV light, thereby enhancing its bioavailability. The release kinetics of AZA from the nanosystems were pH-responsive, with higher release rates observed under acidic and alkaline conditions, indicating potential for controlled delivery in agricultural applications. Overall, the research presents a promising approach for the environmentally friendly utilization of biopesticides through the development of stable and effective nanosystems.