贵州大学AM：光控超分子聚合物，可持续作物保护新路径

植物细菌性病害长期威胁全球农业生产。水稻白叶枯病由稻生黄单胞菌稻致病变种（ Xoo）引起，可在水稻任何生长阶段侵染，在受影响地区导致20%–50%的产量损失；猕猴桃细菌性溃疡病由丁香假单胞菌猕猴桃致病变种（Psa）引起，造成果实、茎和叶片坏死，严重侵蚀作物品质与产量。目前防控仍主要依赖叶枯唑（BT）和噻唑铜（TC）等狭窄的化学药剂库。然而，生物膜的形成使病原菌得以逃避杀菌剂暴露和植物免疫攻击，而化学结构简单的杀菌剂长期反复使用又加剧了抗菌抗性选择压力。随着抗性演化速度超过农用化学品的发现速度，亟需具有强效抗生物膜活性和独特作用机制的新一代抗菌剂。可光异构化分子提供了外部可控的结构多样性，有望减缓抗性演化，但传统小分子偶氮苯在水稻叶片疏水表面上容易因回弹、飞溅和径流而流失。超分子化学为克服这些局限提供了有力途径，通过主客体识别在水相中自组装形成多功能超分子材料，可简化制剂工艺、减少有机添加剂依赖并保留功能组分的固有生物活性。

贵州大学王培义教授、遵义医科大学刘空军副教授合作，报道了Azo@CB[8]，一种由从头设计的偶氮苯（Azo）与葫芦[8]脲（CB[8]）在水中自组装形成的多功能超分子聚合物。CB[8]介导的缔合保留了光异构化能力，提高了循环稳定性，并整合了膜破坏、氧化还原失衡、生物膜抑制、固着细胞杀灭和增强的叶面亲和性。在盆栽试验中，Azo@CB[8]对水稻白叶枯病的防治效果优于游离Azo和噻唑铜，且未检测到生物安全性方面的不良影响，对猕猴桃细菌性溃疡病同样优于两种对照。值得注意的是，光异构化扰动了偶氮苯介导的主客体相互作用，同时基本保留了联吡啶鎓-CB[8]缔合，从而降低了超分子连接度，驱动扩展结构重构为更小、连接更少的超分子集合体。光照射后的超分子状态保留了与初始组装体相当的抗菌效力。这些发现共同勾勒出一条基于超分子聚合物的光调控路径，用于更绿色的细菌性植物病害管理（示意图1）。相关论文以“Light-Controlled Supramolecular Reconfiguration Enables Sustainable Crop Protection”为题，发表在Advanced Materials上。

示意图1Azo@CB[8]的组装、光响应重构及农业应用。Azo与CB[8]通过主客体识别自组装成扩展超分子结构。UV诱导的反式到顺式光异构化扰动偶氮苯介导的识别，同时基本保留联吡啶鎓-CB[8]缔合，将组装体重构为更小、连接更少的主客体结构。该系统保留抗菌和生物膜抑制活性，同时增强叶面沉积和病害控制。

研究首先围绕功能客体Azo的设计与光异构化行为展开。偶氮苯因其合成可及性、可衍生化性、光稳定性和可逆光异构化被选作CB[8]识别元件；引入1,3,4-噁二唑单元赋予抗菌和抗生物膜活性，联吡啶鎓阳离子促进CB[8]介导的超分子传播并提供阳离子抗菌功能，柔性烷基间隔基则用于最小化组装位阻（图1a）。365 nm照射60秒后，反式偶氮苯共振信号减弱，新的顺式异构体信号出现，确认了反式到顺式的光异构化（图1b）。紫外-可见吸收光谱显示，照射前Azo水溶液在343 nm处有主导吸收带，照射后该带急剧下降，430 nm处新带增强，约30秒后趋于平稳，表明快速、接近完全的反式到顺式转化（图1c）；450 nm可见光可驱动逆过程（图1d）。交替365和450 nm照射在五个循环中产生可逆切换，但343 nm吸光度下降约22%，表明逐渐出现光疲劳，凸显了改善光化学循环稳定性的必要性（图1e）。

图1 功能客体Azo的化学结构及光异构化行为。

在超分子组装与光诱导重构方面，紫外-可见吸收光谱表明，增加CB[8]含量逐渐减弱343 nm处的特征吸收，光谱响应在Azo:CB[8]摩尔比约1:1时趋于平台（图2a、2b），缔合常数为1.21 × 10⁴ M⁻¹（图2c），Job plot在CB[8]摩尔分数0.5处显示最大值，支持主要的1:1结合化学计量。¹H NMR滴定表明，偶氮苯单元和阳离子联吡啶鎓片段的共振信号均向高场位移，而烷基连接基信号向低场位移，说明两个末端区域均参与CB[8]介导的主客体识别，柔性间隔基主要留在空腔外（图2d）。变浓度¹H NMR显示局部识别环境保守；特性黏度揭示表观临界聚合浓度CPC为0.174 mM，与CPC以下有限传播、CPC以上浓度驱动形成扩展超分子聚合物组装体的结论一致（图2e）。DOSY NMR显示，在高于CPC的1.0 mM下，扩散系数从游离Azo的3.88 × 10⁻⁶ cm² s⁻¹降至Azo@CB[8]的2.27 × 10⁻⁶ cm² s⁻¹，与组装后有效流体力学尺寸增大一致；MALDI-TOF MS进一步检测到较高化学计量的Azo/CB[8]含离子信号（图2f）。这些结果共同支持Azo/CB[8]的浓度驱动超分子聚合。

光异构化对组装结构的影响同样显著。365 nm照射预组装的Azo@CB[8]后，343 nm吸收下降，430 nm附近出现宽带，与偶氮苯单元的反式到顺式光异构化一致（图2g）。¹H NMR比较显示，照射后联吡啶鎓共振的化学位移和线形基本不变，与联吡啶鎓-CB[8]缔合的大量保留一致；相比之下，新的顺式偶氮苯相关共振与残余反式信号一同出现，表明光异构化选择性扰动偶氮苯相关的主客体环境。这种局部重组伴随整体组装尺寸的减小：表观扩散系数从Azo@CB[8]的2.27 × 10⁻⁶ cm² s⁻¹增至Azo@CB[8]@UV的2.73 × 10⁻⁶ cm² s⁻¹，且该值仍低于游离光照射Azo的4.36 × 10⁻⁶ cm² s⁻¹，支持超分子缔合的保留；DLS独立显示照射后流体力学直径向更小尺寸移动；MALDI-TOF MS显示高化学计量信号消失，而较低化学计量的Azo/CB[8]含信号仍可检测（图2h）。这些结果共同支持光诱导的Azo@CB[8]扩展结构重构，其特征是超分子连接的部分破坏和更小主客体组装体的形成，同时大量联吡啶鎓-CB[8]缔合得以保留。Azo@CB[8]在交替365和450 nm照射下也保持了可逆光切换，七个循环后343 nm吸光度相对初始值仅下降2.6%，表明CB[8]组装后光化学循环稳定性改善（图2i）。SEM显示Azo@CB[8]呈互穿薄膜状形貌，照射后结构连接减少（图2j）；Zeta电位从Azo的+33.5 mV增至Azo@CB[8]的+38.5 mV和Azo@CB[8]@UV的+41.6 mV，与照射依赖的超分子组织和表面性质变化一致。

图2 Azo@CB[8]的水相自组装及光响应重构。

抗菌活性方面，反式-Azo抑制浮游Xoo的EC50为1.63 µg mL⁻¹，Azo@CB[8]更强（1.28 µg mL⁻¹），Azo@CB[8]@UV保留最高效力（1.09 µg mL⁻¹），所有Azo基制剂均远优于噻唑铜（58.10 µg mL⁻¹）。在12次连续传代中，噻唑铜的EC50从55.6增至93.8 µg mL⁻¹，而所有Azo基制剂的EC50基本不变，表明在测试条件下未检测到抗性发展。机制研究表明，所有Azo基制剂均以剂量依赖方式增加细胞内活性氧（图3a–3d），Azo@CB[8]和Azo@CB[8]@UV在8 × EC50时分别达到对照的130.3%和138.8%，同时过氧化氢酶（图3e–3h）和超氧化物歧化酶（图3i–3l）活性被浓度依赖抑制，表明氧化还原稳态破坏。过量活性氧攻击细菌膜中的不饱和磷脂，引发脂质过氧化，导致膜通透性增加和电解质泄漏；所有Azo基制剂在2 ×至8 × EC50范围内产生浓度依赖的电导率增加，CB[8]缔合制剂始终比相应游离客体产生更大变化（图3m–3p）。综上，Azo基系统的抗菌效应涉及氧化应激和膜损伤两个紧密耦合的过程，CB[8]缔合持续增强了这两种效应。

图3 Azo基试剂对Xoo的拟议抗菌机制。

在生物膜抑制方面，所有四种Azo基制剂在2 × EC50时抑制生物膜形成超过50%，在4 × EC50时增至73.14%–84.92%，在8 × EC50时超过90%（图4a）。CLSM结合AO/PI双染色显示，所有Azo基制剂从2 ×至8 × EC50逐渐减弱绿色荧光并增强红色荧光（图4b–4d），CB[8]缔合制剂响应更强，Azo@CB[8]和Azo@CB[8]@UV效果相当。涂布平板试验进一步验证，活菌计数从对照的约340 CFU mL⁻¹呈剂量依赖下降，在8 × EC50时，Azo@CB[8]和Azo@CB[8]@UV处理后分别降至52.67和34.67 CFU mL⁻¹（图4e、4f）。机制上，CB[8]缔合制剂更有效地抑制细菌运动性（图5a、5b），Azo@CB[8]@UV在2 × EC50时抑制迁移63.8%，在4 × EC50时达68.1%；胞外纤维素酶（图5c、5d）和淀粉酶（图5c、5e）活性同样受到抑制，Azo@CB[8]@UV抑制最强，分别达58.5%和36.6%；EPS产生从0.5 ×至2 × EC50，CB[8]缔合制剂的抑制率从10.9%–13.9%增至39.7%–43.7%，在4 × EC50时Azo@CB[8]和Azo@CB[8]@UV分别抑制55.5%和56.3%（图5f、5g）。体内毒力评估显示，未处理水稻叶片病斑平均19.74 cm，2 × EC50的Azo@CB[8]和Azo@CB[8]@UV分别将病斑长度降至8.02和3.44 cm（图5h、5i），CB[8]缔合制剂比游离客体更有效地减弱Xoo毒力。

图4Azo基试剂对Xoo生物膜形成的抑制。

图5Azo基试剂抑制生物膜的机制基础。

转录组分析进一步揭示了分子基础。Azo@CB[8]处理后鉴定出94个差异表达基因，Azo@CB[8]@UV处理后365个，表明光照射后更广泛的重编程（图6a–6c）。GO富集涉及细胞和代谢过程、碳利用、信号传导、运动性、细胞内结构、蛋白复合物以及催化、结合、转运体和结构活性（图6d、6f）。KEGG分析显示，两种处理均抑制淀粉和蔗糖代谢及己内酰胺降解，与EPS产生减少一致；均上调组氨酸代谢和鞭毛组装（图6e、6g）。Azo@CB[8]上调多个抗生素生物合成通路，同时抑制核糖体和RNA聚合酶通路；Azo@CB[8]@UV额外激活萜类骨架生物合成、甘油磷脂代谢、D-氨基酸代谢和氧化磷酸化，同时抑制细菌分泌系统和FoxO信号通路，表明更广泛的光调制代谢重编程和应激适应。

图6Azo@CB[8]和Azo@CB[8]@UV（2 × EC50）处理后Xoo相对未处理对照的转录组分析。

叶面亲和性研究显示，喷洒含Azo@CB[8]或Azo@CB[8]@UV的水相制剂，液滴在叶表面均匀铺展形成细密连续薄膜，而水、CB[8]、Azo和Azo@UV则聚集成大而不连续的液滴。高速成像显示，从30 cm高度落下时，水和CB[8]液滴碎裂成细小卫星滴并向外飞溅，Azo和Azo@UV类似但保留稍多液体，而Azo@CB[8]和Azo@CB[8]@UV飞溅受限，液滴重新合并，液体保留更多（图7a）。从10 cm高度落下时，水滴及含CB[8]或Azo的液滴完全回弹并脱离叶表面，而Azo@CB[8]或Azo@CB[8]@UV液滴保持钉扎，无飞溅或回弹（图7b）。Azo@CB[8]@UV达到最大最终铺展直径（1.19 vs 0.74–0.85）（图7c），Azo@CB[8]表现出最低峰值回弹高度（1.57 vs 2.01–2.09）（图7d）。液体保持容量方面，Azo@CB[8]和Azo@CB[8]@UV分别为3.44和3.46 mg cm⁻²，超过水（1.66）、Azo（2.59）和Azo@UV（2.68）。接触角方面，Azo@CB[8]和Azo@CB[8]@UV分别为105°和106°，低于其他制剂（117–131°）（图7e）；表面张力分别为59.4和59.1 mN m⁻¹，低于其他制剂（68.2–73.8 mN m⁻¹）。SEM显示，未处理叶片呈蜡质粗糙角质层微地形，Azo处理后仅形成薄而不连续的聚集体，而Azo@CB[8]和Azo@CB[8]@UV产生厚、连续、块状层，广泛均匀涂覆表面（图7f）。重要的是，Azo@CB[8]的光触发重构并未损害叶面亲和性。

图7Azo基制剂在200 µg mL⁻¹（0.259 mM）下对水稻叶表面的叶面亲和性。

体内防控试验中，200 µg mL⁻¹ Azo处理对水稻白叶枯病的保护效力和治疗效力分别为37.8%和35.5%；Azo@CB[8]分别增至50.3%和45.6%，相对游离Azo提高超过10%；Azo@CB[8]@UV分别为51.1%和48.3%，与未照射Azo@CB[8]相当，表明光异构化使病害控制性能保持不变（图8a–8c）。生物安全性方面，500 µg mL⁻¹反复处理后未观察到可见叶面药害，种子发芽率在100–200 µg mL⁻¹时保持在94%以上；游离Azo和Azo@UV适度抑制早期幼苗生长，但该效应在CB[8]缔合制剂中减弱；蚯蚓急性暴露后未观察到死亡率，Azo@CB[8]和Azo@CB[8]@UV也显示出改善的斑马鱼存活率。对猕猴桃细菌性溃疡病，游离Azo的保护和治疗效力分别为70.5%和62.2%，Azo@CB[8]提高至79.0%和69.6%，Azo@CB[8]@UV分别为81.1%和75.8%，均优于噻唑铜（保护59.8%，治疗54.0%），表明CB[8]缔合增强病害控制效力，而光诱导超分子重构保留这一功能优势。

图8Azo基试剂在200 µg mL⁻¹（0.259 mM）下对水稻白叶枯病的体内效力。

本研究针对绿色农业背景下细菌性植物病害防控面临的多重挑战，通过超分子工程开发了多功能超分子聚合物Azo@CB[8]。该系统保留了Azo固有的抗菌和抗生物膜活性，同时实现了稳健的叶面沉积和保留，对水稻白叶枯病和猕猴桃细菌性溃疡病均提供优于游离Azo和商业杀菌剂噻唑铜的防治效果，并改善了整体生物安全性。光异构化扰动偶氮苯介导的主客体相互作用，同时基本保留联吡啶鎓-CB[8]缔合，驱动扩展超分子结构重构为更小、连接更少的集合体，使功能性能跨越动态可重构超分子状态得以保持。该策略的通用性值得进一步探索，例如合理设计或筛选替代活性客体分子和兼容主体以拓展至真菌或病毒感染，或将多种外部刺激响应性整合到超分子平台中，实现多维智能系统。聚合物组装及其光诱导异构化均在水介质中进行，无需有害助剂或复杂制剂工艺，为超分子聚合物赋能的绿色病害管理提供了概念验证和战略框架。