苏迪尔·库马尔·乌帕德亚伊
研究与开发部门，洛维专业大学，法格瓦拉-144411，旁遮普邦，印度
**摘要**
长期以来，合成农药的广泛使用在生态持久性、抗性发展以及作物基因组压力方面受到了质疑。生态上更可持续的替代品是植物源生物农药，但由于这些生物农药的挥发性、低溶解度、快速降解和系统移动性受限，其在田间的效果并不理想。纳米工程作为一种配方方法，有助于提高植物化学物质的稳定性和可控释放。基于金属、聚合物和碳的纳米载体能够增强稳定性与生物利用度；然而，它们穿透细胞结构并与染色质相互作用的能力需要对其基因毒性、表观遗传学和转录效应进行严格评估。本文批判性地研究了纳米颗粒与植物DNA之间的化学和细胞相互作用，强调了它们作为防御机制诱导因子以及可能导致基因组不稳定性的因素。有证据表明，诸如根瘤菌、丛枝菌根真菌、内生菌和人工微生物组等有益微生物通过清除活性氧、增强DNA修复途径和调节表观遗传状态，起到了基因组缓冲系统的作用。微生物与纳米颗粒的相互作用还影响纳米颗粒的物理化学性质、根际定位以及控制释放动态。本文提出了设计响应刺激、可降解和响应微生物组的纳米载体的方法，以减少脱靶基因组效应并保持农药活性。通过纳米材料设计、植物分子反应和微生物保护，本文为纳米生物农药在农业生态系统中的开发提供了全面的方法，同时将基因组完整性作为主要评估标准。
**1. 引言**
现代农业面临着在人口增长、气候变化、栖息地退化以及害虫和疾病复发的背景下提高食品生产的重大挑战（FAO, 2017; Sweileh, 2020; Singh et al., 2023）。合成农药仍然是当代作物保护策略的核心（Jacquet et al., 2022）。然而，其密集使用引发了生态、生理和分子层面的问题，而害虫抗性的增加导致农药使用频率上升，从而降低了效果并增加了毒性（Hawkins et al., 2019, Siddiqui et al., 2023）。只有大约0.1%的施用农药能够达到预期的生物目标（Bernardes et al., 2015），大部分农药会流失；每年施用的杀虫剂超过56亿磅（Alavanja, 2009）。这些残留物污染了土壤、水源和非目标生物，引发了关于其对植物基因组稳定性长期影响的担忧（Kariyanna et al., 2024）。最新研究表明，农药残留物会影响基因表达，引发氧化应激，激活DNA损伤信号通路，并导致DNA链断裂和染色体异常，表明其影响超出了急性毒性范围，还包括基因组不稳定（Prathiksha et al., 2023, Sazykin et al., 2025）。在慢性化学暴露的情况下，已记录到分子指标的变化，包括γH2AX激活、氧化碱基损伤（如8-氧代-dG积累）（van Soest et al., 2024）、DNA甲基化模式改变以及修复机制紊乱（Lodhi and Srivastava, 2025）。合成农药还会破坏对土壤健康和作物抗性至关重要的植物-微生物相互作用（Kumar et al., 2025）。菌根真菌、根瘤菌和内生菌等共生伙伴对化学物质特别敏感（Duley and Boselli, 2022）。这些微生物对植物的免疫系统、耐逆性和信号传导至关重要。一些微生物已被证明可以改变DNA修复途径、组蛋白修饰和其他表观遗传过程，从而维持基因组稳定性（Sen et al., 2025）。它们的破坏会损害植物的生长和防御机制，可能危及内在的基因组维持机制（Muhammad et al., 2025）。植物生物农药作为一种可行且环境可持续的替代品应运而生（Rukh et al., 2025）。这些天然物质（如萜类化合物、生物碱、酚类和精油）在杀灭细菌和昆虫以及增强植物抵抗力方面非常有效（Kundu et al., 2025）。值得注意的是，源自植物的生物农药通常被认为比合成农药更环保。然而，由于多种植物化学物质的不稳定性、低水溶性、快速降解和有限的系统移动性，实际应用受到限制，这常常导致效果不稳定，尽管具有生态效益。为解决这些问题，纳米工程被提出作为农业中的精准配方策略。纳米技术实现了生物活性植物化学物质的封装、稳定性和调控分布。包括金属氧化物（Ag、CuO、ZnO）、碳基化合物（碳点、氧化石墨烯）和生物相容性聚合物（壳聚糖、PLGA）在内的纳米载体提高了生物利用度（Zverev and Rykunova, 2022），促进了持续释放（Patel et al., 2018），并增强了系统吸收（Wu et al., 2023）。释放方式可以通过叶面喷洒、根部浸泡或种子处理实现。然而，提高运输效率的相同物理化学特性也可能改变细胞相互作用模式。纳米颗粒可以穿越生物屏障，渗透膜，并在某些情况下迁移到细胞核，在那里与DNA和染色质相互作用（Marslin et al., 2017）。这些相互作用可能改善基因传递和防御信号；然而，它们也可能导致DNA链断裂、氧化损伤、转录紊乱和表观遗传失调（Pogribna, Hammons, 2021）。在特定剂量条件下，长期暴露于特定纳米颗粒系统与基因组不稳定有关（Atanda et al., 2025）。本文的重点不是植物生物农药本身的基因组毒性，而是由定制的释放系统创造的改良纳米-生物界面。
有益微生物在纳米-植物相互作用中起着关键的调节作用。促进植物生长的根瘤菌（PGPR）、丛枝菌根真菌（AMF）和内生菌可以捕获或修饰纳米颗粒，通过抗氧化酶合成影响氧化还原平衡，并激活DNA修复机制（Iqbal et al., 2024b, Upadhyay et al., 2025a, Upadhyay et al., 2025b）。这些相互作用作为生物缓冲机制，减轻了纳米颗粒引起的压力。通过共配方或表面功能化将微生物元素纳入纳米生物农药系统，可以提高释放精度，同时减轻潜在的基因毒性问题（Das et al., 2025）。本文的主要假设是，在基于DNA意识的框架内开发的纳米工程释放方法，结合微生物技术，可以在保持植物基因组完整性的同时提高生物农药的效果。“基于DNA意识”指的是系统评估DNA链稳定性、染色质重塑状态、组蛋白修饰动态（如H3/H4乙酰化）（Wolny et al., 2017）、DNA甲基化稳定性、修复途径（BER, NER）的激活（Sriraman et al., 2020）以及纳米颗粒暴露期间的转录保真度。本文提出了一种系统级方法，综合考虑纳米载体的物理化学性质、植物分子反应和微生物缓冲机制。与以往主要强调农药效果或农艺性能的综述不同，本文将遗传完整性作为关键评估标准。本文的目标是：（i）讨论纳米颗粒与植物DNA在生物农药释放过程中的相互作用机制；（ii）评估纳米暴露引起的基因毒性、表观遗传和转录反应；（iii）阐明有益微生物通过抗氧化调节、DNA修复激活和染色质重塑在保持基因组稳定性方面的保护作用。
**2. 植物源生物农药：一种绿色防御策略**
对合成农药的健康和环境影响担忧促使人们探索新的环保作物保护方法。图1显示了全球对植物源生物农药作为合成化学品替代品的兴趣日益增长。它们因其可生物降解性、较低的持久性和相对较低的非目标毒性而受到重视，适合于注重残留物控制的作物保护系统。
**图1. 基于多项市场评估的植物源生物农药及相关产品的全球市场趋势和预测（2022–2025年）**（来源：https://www.imarcgroup.com/neem-extract-market; https://www.alliedmarketresearch.com/biopesticides-market; https://www.thebusinessresearchcompany.com/report/essential-oils-global-market-report; https://straitsresearch.com/report/azadirachtin-market）。预计苦楝提取物市场将从2024年的15.5亿美元增长到2033年的34亿美元，复合年增长率（CAGR）约为8.7%（https://www.imarcgroup.com/neem-extract-market）。生物农药市场预计从2021年的87亿美元增长到2031年的336亿美元（CAGR约13.9%）。精油市场预计从2024年的175亿美元增长到2025年的196亿美元（CAGR约11.9%）。印楝素市场预计从2024年的1.088亿美元增长到2033年的1.289亿美元（年增长率约1.9%）。尽管这些趋势表明市场增长，但由于稳定性、持久性和释放效果的局限，植物源生物农药在农业中的使用仍然不足。克服这些限制需要配方科学的进步、基于纳米技术的释放技术和可扩展的生产方法，以提高田间效果和一致性。
植物源生物农药是最有前景的替代品之一（Ayilara et al., 2023）。这些制剂利用萜类化合物、黄酮类、生物碱、皂苷和精油等次级代谢物（表1）。植物源化合物通常针对特定害虫或病原体，从而保护有益昆虫、传粉者和土壤微生物免受伤害。这与广谱合成杀虫剂不同。由于它们的自然降解性，不会造成持久性或生物累积的风险，符合可持续农业的原则（Ayilara et al., 2023）。
**表1. 植物源生物农药的主要类别：工艺、限制和纳米制剂方法**
| 生物农药类别 | 典型化合物/来源 | 传统形式的限制 | 纳米封装方法 [载体类型到（→）植物化学物质] | 参考文献 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| 茶萜类（柠檬oids、二萜类和单萜类） | 印楝素（Neem）、除虫菊素（Chrysanthemum）、香叶醇和柠檬烯（Citrus、Eucalyptus） | 干扰昆虫蜕皮和激素平衡；对钠通道有害；在真菌中产生活性氧 | Onsomu (2018); Minwuyelet et al. (2025); Pedrotti et al. (2022) |
| 聚合物纳米颗粒（PLGA/壳聚糖） | → 印楝素；金属/SiO₂纳米颗粒 → 桉树油/香叶醇；纳米乳液 → 柠檬烯；更高的紫外线稳定性和更长的释放时间（桉树油可达约35天） | |
| 生物碱 | 尼古丁（Nicotiana）、奎宁（Cinchona）、马替林（Sophora） | 神经毒性：阻止乙酰胆碱受体工作；阻止进食 | 毒性不针对特定目标；在紫外线/土壤条件下不稳定 | Alcheuk et al. (2022); Kumar et al. (2021) |
| 酚类和黄酮类 | 卡特钦、单宁、槲皮素和香豆素 | 阻止酶活性，分解真菌膜，螯合金属，启动ISR | 快速氧化；在体内传输不良；被微生物分解 | Chitosan/PLGA载体 → 槲皮素/卡特钦；纳米复合物 → 单宁；提高稳定性、移动性和PR/ISR激活 | Choudhary et al. (2007); Yin et al. (2024); Joshi (2025) |
| 精油 | 百里酚（Thymus）、丁香酚（Ocimum、Syzygium）、肉桂醛（Cinnamomum）、薄荷醇（Mentha） | 破坏微生物膜，导致离子流出，抑制菌丝体生长，阻止群体感应 | 在紫外线下不稳定，易挥发，热不稳定；疏水性 | 纳米乳液 → 百里酚/薄荷醇；壳聚糖纳米凝胶 → 丁香酚；脂质纳米载体 → 肉桂醛；提高溶解度、附着性和向种子和叶子的传输 | Gucwa et al. (2018); Kalagatur et al. (2015); Bachheti et al. (2023) |
| 皂苷和苷类 | 迪奥斯根宁（Dioscorea） | 分解中肠膜；形成甾醇复合物；作为抗饲料剂 | 苦味；在碱性土壤中不稳定 | 聚合物纳米胶囊 → 迪奥斯根宁；生物聚合物包覆的纳米颗粒 → 皂苷；掩盖味道，提高稳定性和逐渐释放 | Ayilara et al. (2023); An et al. (2022) |
植物生物农药因其多样的作用机制而有效。这些机制包括干扰昆虫激素控制、降低病原体酶活性、产生抗饲料剂或驱虫效果以及增强宿主免疫反应（Ayilara et al., 2023）。许多植物生物农药共同作用，引发系统获得性抗性（SAR）和诱导系统抗性（ISR）（Choudhary et al., 2007）。来自苦楝的印楝素能抑制昆虫生长调节，来自菊花的除虫菊素干扰神经冲动传递，而来自牛至、香茅和桉树的精油具有显著的抗真菌和抗菌效果（Juma et al., 2022; Onsomu, 2018; Gucwa et al., 2018）。有证据表明它们确实能发挥预期作用。实验证据支持这些生物活性；Onsomu (2018) 显示烟草（Nicotiana tabacum）、桉树（Eucalyptus camaldulensis）和菊（Chrysanthemum cinerariifolium）的粗提物对按蚊（Anopheles gambiae）具有显著的杀虫效果。桉树（C. cinerariifolium）的二氯甲烷提取物表现出最佳效果，LC₅₀ = 165 ppm，LC₉₀ = 255 ppm。持久性存在显著差异，C. cinerariifolium在明亮条件下的持久性为5.5小时，而E. camaldulensis为35天。同样，Gucwa et al. (2018) 发现百里酚（Thymus vulgaris）、柠檬（Citrus limonum）、香叶天竺葵（Pelargonium graveolens）、肉桂（Cinnamomum cassia）和罗勒（Ocimum basilicum）的精油对白色念珠菌（Candida albicans）和光滑念珠菌（C. glabrata）具有抑菌和杀菌效果，其中肉桂油的效果最强 [MIC = 0.002-0.125% (v/v)]。机制研究表明这些化合物能破坏真菌膜、促进钾离子流出并抑制酵母向菌丝体的转化。这些例子说明了植物代谢物如何发挥多种功能并协同调节病原体和疾病。尽管潜力巨大，但由于不稳定性和应用效果不佳，植物生物农药在田间使用较少。许多植物化学物质具有挥发性、光敏感性、热不稳定性和疏水性，容易受到紫外线辐射、氧化环境、微生物活动和pH波动的影响（Kumar et al., 2021, Ayilara et al., 2023）。这种不稳定性降低了持久性，需要进一步处理并增加生产成本。水溶性不足和系统传输能力有限降低了它们对内生菌感染和昆虫幼虫的防治效果。传统的使用表面活性剂或乳化剂的分配方法有时无法将化学物质有效输送到角质层或根表面，并可能带来安全风险（An等人，2022年）。纳米载体如聚合物纳米颗粒、纳米乳液、纳米凝胶、脂质体、固体脂质纳米颗粒（SLNs）以及金属或碳基纳米材料可以包裹植物化学物质，防止其降解，并促进其可控释放（表1）。在分子中加入配体或响应性基团有助于精确靶向害虫或病害区域（Xu等人，2025年）。壳聚糖纳米颗粒具有黏附性和抗菌活性（Abruzzo等人，2021年），而PEG化系统则能增强膜通透性（Xu等人，2022年）。Hu等人（2020年）观察到，直径小于20纳米的亲水性纳米颗粒在棉花中几乎完全被细胞吸收，在玉米中则小于11纳米，且ζ电位超过+15毫伏。这些结果表明，纳米颗粒的内化效果很大程度上取决于其大小和电荷。表面活性剂增强的配方可通过气孔和角质层途径在10分钟内渗透到叶片组织中。该研究开发了纳米颗粒-叶片相互作用（NLI）模型，将颗粒大小、电荷和化学性质与吸收效果相关联。这表明，由于不同作物的解剖结构特点，需要采用不同的纳米制剂。这些改进提高了输送精度，减少了化学物质的损失，降低了污染，并优化了养分利用，从而支持了可持续发展目标2（零饥饿）、12（负责任的消费和生产）和15（陆地生命）（Anjaneyulu等人，2024年）。微生物系统如PGPR、AMF和内生菌越来越被认可为提高纳米生物制剂吸收和系统分布的生物载体（Wang等人，2020年；Hage-Ahmed等人，2019年；Ghorui等人，2025年）。这些细菌能渗透根组织，合成酶，并包含能够分解纳米胶囊并在原位释放生物活性物质的转运蛋白（Chowdhury等人，2024年；Diaz-Urbano等人，2023年）。Shukla等人（2022年）发现，由枯草芽孢杆菌和荧光假单胞菌组成的联合体通过平衡活性氧（ROS）信号和强大的抗氧化反应，保护了番茄（Solanum lycopersicum）植株免受Sclerotium rolfsii的侵害。扫描电子显微镜成像和主成分分析显示，处理过的植株保持了光合效率（Fv/Fm），增强了过氧化氢清除能力，并减少了病原体入侵。微生物联合体增强了植物免疫系统（ISR），提供了结构保护，并减少了对传统杀菌剂的依赖。微生物的重要性在于它们可以降低纳米颗粒带来的基因毒性。一些有益菌株能产生抗氧化酶（CAT、POX和SOD），中和纳米颗粒产生的ROS（Huang等人，2021年）。其他菌株能启动植物DNA修复机制并调节表观遗传反应，在纳米颗粒暴露后保护基因组完整性（Kaya等人，2023年；Marmiroli等人，2022年）。
3. 纳米技术介导的生物农药输送
基于纳米技术的平台通过实现可控、定向和深入的释放，克服了传统生物农药的诸多问题，从而提高了其生物利用度和效果（表2）。金属、碳和聚合物纳米颗粒越来越多地被用于增强和稳定植物源生物农药。本文探讨了纳米工程如何提高输送效率，并需要在基因组安全框架内进行评估。研究人员详细研究了银纳米颗粒（AgNPs）、氧化锌纳米颗粒（ZnO NPs）、氧化铜纳米颗粒（CuO NPs）和二氧化钛纳米颗粒（TiO₂ NPs），以评估它们的杀菌性能及其与植物化学物质的协同作用（Sanchez-Lopez等人，2020年）。
表2. 纳米载体（NC）系统在输送植物源生物农药方面的比较优势、限制和操作流程。
NC类型 例如，NC
植物源生物农药通常被封装
机制洞察和作用方式 好处 限制和/或风险 参考文献
基于金属的NPs Ag、ZnO、CuO、TiO₂ 苦楝提取物（印楝素）、除虫菊酯和牛至油 金属离子释放和ROS导致病原体膜破裂、酶抑制和DNA接触；与植物化学物质结合时，对幼虫和真菌的效果更强 强大的抗菌性；快速杀死害虫；对昆虫和真菌更有效 高剂量（>100 mg L⁻¹）下会导致DNA链断裂、氧化损伤和染色质凝聚 Minwuyelet等人（2025年）；Shahid等人（2022年）；Kalagatur等人（2015年）
基于碳的NPs CNTs、氧化石墨烯（GO）和碳点 生物碱、桉树油、百里酚和香叶醇 由于π–π堆叠和氢键作用，可负载大量植物化学物质；其他用途包括ROS介导的抗真菌作用、渗透叶片组织和生物成像 高载荷稳定性；广泛的抗真菌作用；可通过成像追踪 核渗透会干扰染色质，导致DNA低甲基化和RNA失调 Vakili-Ghartavol, Arouiee 2025年；Sharma等人（2024年）；Pedrotti等人（2022年）
聚合物载体 海藻酸盐、PLA、PLGA和壳聚糖 生物碱、酚类和精油（薄荷、桉树） 通过酶/pH/ROS触发释放；黏附作用；刺激苯丙氨酸氨裂解酶、过氧化物酶基因和ROS清除酶 可生物降解和生物相容；可控释放（长达7-10天）；潜在的土壤积累；需要表面活性剂 Pinto等人（2023年）；Verma等人（2022年）；Joshi（2025年）
微生物辅助的NPs 由枯草芽孢杆菌、Paenibacillus和Aspergillus产生的Ag/ZnO NPs 黄酮类、丁香酚、苦楝油和大蒜提取物 微生物代谢物可减少离子，促进绿色纳米颗粒的生成；生物涂层稳定植物化学物质；内生菌携带纳米制剂；激活PR1、LOX和RBOH基因 环境可持续合成；双重功能（纳米颗粒+生物农药+微生物）；提高产量和抗逆性 批间变异性；可扩展性受限 Al-Quwaie（2024年）；El-Wafai等人（2025年）；Nargund等人（2022年），Kumawat等人（2025年）
3.1. 基于金属的纳米颗粒
苦楝（Azadirachta indica）以其强大的杀虫能力而闻名，已被广泛进行纳米工程改造。Minwuyelet等人（2025年）发现，含有苦楝提取物的ZnO纳米颗粒在消灭埃及伊蚊幼虫方面比单独使用苦楝提取物更有效。在100 µg mL⁻¹的剂量下，这些纳米颗粒杀死了超过90%的幼虫，而单独使用苦楝提取物仅杀死了55%。Shahid等人（2022年）表明，由苦楝提取物制成的AgNPs在1200 ppm的浓度下，96小时内杀死了77.77%的Bemisia tabaci成虫和82.22%的三龄若虫。LC₅₀研究表明，若虫的死亡率（412 ppm）高于成虫（465 ppm）。苦楝与昆虫病原真菌联合使用也显示出效果。Gomes等人（2015年）发现，1%浓度的苦楝可将埃及伊蚊幼虫的存活率降至18%（S₅₀ = 2天），而单独使用真菌时存活率降至24-30%。当亚致死剂量的苦楝（0.001%）与真菌混合时，死亡率显著上升，从真菌单独使用的28%提高到1 × 10⁸孢子/mL⁻¹时的12%。这些发现表明，苦楝生物活性成分削弱了幼虫的防御能力，使真菌更容易生长，从而提高了生物防治的效果。这些协同纳米生物方法符合综合害虫和媒介管理（IPM/IVM）的理念，因为它们减少了合成农药的依赖，并对抗了埃及伊蚊（主要虫媒病毒载体）的抗药性。尽管这些研究主要表明了农药效率的提高，但基于金属的纳米颗粒的物理化学性质（如离子释放和氧化还原活性）在后续章节中讨论的全面DNA意识评估框架内也很重要。
3.2. 抗真菌应用
纳米结构的植物制剂在控制昆虫和预防植物真菌感染方面有效。Kalagatur等人（2015年）发现，含有34.7%丁香酚的Ocimum sanctum精油（OSEO）抑制了Fusarium graminearum的生长（MIC = 1250 µg mL⁻¹，MFC = 1800 µg mL⁻¹），损伤了菌丝，并通过下调PKS4和PKS13基因阻止了玉米赤霉酮的产生。在1500 µg mL⁻¹的浓度下，真菌生长几乎完全被抑制。Macias Sanchez等人（2023年）发现，由天竺葵叶提取物制成的绿色合成AgNPs（约39纳米）在150 mgL⁻¹的剂量下抑制了Fusarium oxysporum f. sp. lycopersici约95%。在10 mgL⁻¹的浓度下，它们还保护了番茄果实免受真菌侵害。OSEO在高剂量下具有很好的抗真菌和抗霉菌毒素作用；然而，在低剂量下，AgNPs会产生ROS，破坏膜并干扰代谢。这些方法展示了多种措施的协同效果，例如使用精油作为天然食品防腐剂和银纳米颗粒来原位管理农业疾病（Rai和Ingle，2012年；Elmer等人，2018年）。第5节将进一步探讨这些氧化还原介导的过程对基因组的剂量依赖性反应，同时不暗示内在的基因组危险。
3.3. 基于碳的纳米颗粒
碳纳米管（CNTs）、氧化石墨烯（GO）和碳点（CDs）具有较大的表面积，非常坚固，可用于多种用途（Saleh等人，2025年）。GO纳米片层可通过π–π堆叠和氢键有效负载植物化学物质。Vakili-Ghartavol, Arouiee 2025年表明，GO-桉树油纳米复合材料在抑制Alternaria alternata方面比非纳米制剂有效85%。CDs还允许生物农药实时移动，这被称为生物成像。Sharma等人（2024年）开发了含有桉树精油的油水纳米乳液。液滴大小在245至415纳米之间，ζ电位在-9.2至-25.4毫伏之间，封装率为40%至50%。这些纳米乳液在60天内保持稳定，对Aspergillus和Mucor菌株有效，表明它们在农业和医学领域都有应用潜力。Pedrotti等人（2022年）发现，含有香叶醇（34.32%）、柠檬烯（20.6%）和1,8-桉叶油（12.3%）的Eucalyptus staigeriana精油在1 µL mL⁻¹的浓度下大大减少了葡萄叶和果实中的Alternaria alternata感染。由于碳基纳米材料具有显著的表面反应性和在许多植物系统中渗透细胞的能力，它们也在后续章节中关于染色质相互作用的更广泛背景下进行了评估。
3.4. 聚合物纳米载体
聚合物纳米载体，特别是壳聚糖、PLA和PLGA，显示出良好的生物相容性输送潜力。壳聚糖纳米颗粒（CSNPs）具有天然的抗菌能力，良好的表面电荷，并与多种植物化学物质兼容（Garavand等人，2022年）。含有薄荷EO的CSNPs在七天内释放其内容物，对Botrytis cinerea的有效性比游离油高60%（Melanie等人，2022年；Bachheti等人，2023年）。它们还通过增强PR基因、PAL和过氧化物酶的活性来加强植物防御（Yin等人，2024年；Joshi，2025年）。根据所用方法的不同，封装效率记录在60%至95%之间（Boehm等人，2003年；Abdollahdokht等人，2022年）。根据安全规定，大多数作物在200 ppm或更低的金属氧化物纳米颗粒水平下是安全的，在500 ppm或更低的聚合物载体水平下也是安全的（Sarraf等人，2022年；Nile等人，2022年；Thangavelu等人，2024年）。含有Eucalyptus globulus油的叶用CSNPs几乎可以缓解番茄叶枯病的严重程度长达10天（Pinto等人，2023年）。根部处理可保护植物免受土壤病原体的侵害，而含有PLGA-大蒜纳米颗粒的种子包衣可将发芽率提高30%，并降低Rhizoctonia solani感染的风险（Verma等人，2022年；LaMastro和Shukla，2025年）。
3.5. 微生物辅助的纳米工程
微生物辅助或“绿色”合成是一种更好的制造纳米颗粒的方法，不会对环境造成影响。生物代谢物可以稳定纳米颗粒，使其更容易传播且毒性更低。Nargund等人（2022年）使用枯草芽孢杆菌生产了ZnO纳米颗粒（32纳米，+34.3毫伏，PDI 0.21），分别对Colletotrichum capsici、Sclerotium rolfsii、Alternaria solani和Fusarium oxysporum f. sp. cicero的抑制效果分别为99%和0.125%。温室试验表明，其植物毒性低于0.14%。Al-Quwaie（2024年）使用Paenibacillus polymyxa生产了ZnNPs（44纳米，−28.65毫伏），消除了89%的DPPH自由基，减少了79-89%的小麦根腐病，并使1000粒小麦的重量增加了40%。微生物系统还可以用于信息传递。荧光假单胞菌、枯草芽孢杆菌和内生菌可以渗透植物组织并将纳米制剂输送到感染部位。Kaleramana等人（2025年）发现，由Meyerozyma guillermondii制成的AgNPs（100.9纳米，−23.7毫伏）减少了20%的番茄病害，并使果实重量增加了79.55-113.19克，优于化学方法制备的AgNPs。El-Wafai等人（2025年）发现，由Aspergillus fumigatus生产的AgNPs（38纳米，−25.8毫伏）减少了94%的Fusarium枯萎病，增加了60%的果实产量，并激活了防御相关基因（ACCO、RBOH1、TomLoxA、CHS、PR1a）。微生物辅助的AgNPs还增加了类胡萝卜素（灌根处理增加84%，叶面处理增加62%）和叶绿素（灌根处理增加200%，叶面处理增加160%）。总体而言，这些研究表明，纳米技术使植物源生物农药更加稳定，能够克服障碍，更具实用性，而在使用DNA意识产品时，纳米颗粒浓度、载体生物相容性和对微生物的保护都是重要因素（表2）。微生物辅助的纳米颗粒不仅提高了输送和效果，还保护植物基因组免受纳米颗粒引起的氧化应激。这种纳米技术和微生物学的结合为新型生物农药平台奠定了基础，这些农药对基因组安全，并且在农业生态系统中能够有效发挥作用。上述提到的潜在基因组缓冲效应将在后续章节中通过机制研究进行探讨，这些章节将重点关注DNA修复的激活和表观遗传修饰。
4. 微生物在纳米生物农药递送和DNA保护中的协同作用
4.1. 微生物对纳米粒子合成和稳定性的调控
纳米粒子（NPs）通过简化生物农药进入植物的过程、控制其释放以及靶向特定分子，彻底改变了生物农药的使用方式（Yin等人，2023年）。本综述从递送效率和遗传稳定性因素的角度分析了这一变化。然而，我们需要仔细考虑这对植物DNA完整性的影响。实现这一目标的一种新方法是利用有益微生物（如根瘤菌、内生菌和菌根真菌）的联合效应。这些细菌不仅影响纳米粒子在植物体内的行为，还能防止可能的基因毒性压力。微生物可以通过生物矿化和胞外多糖（EPS）介导的机制来控制纳米粒子的构建和稳定性（Koul等人，2021年）。来自生物膜的EPS作为成核和封盖基质，使金属离子更容易改变形状和大小，形成稳定的纳米粒子（Sathiyanarayanan等人，2017年）。生物制造的纳米粒子通常比化学合成的纳米粒子更具生物相容性，并且毒性更低（Fallah等人，2024年）。这种表面功能化可能会影响纳米粒子与DNA相互作用的动力学以及细胞分布模式，这些将在后续章节中通过机制研究进行探讨。
4.2. 根瘤菌、内生菌和菌根真菌作为纳米载体和DNA保护者
根瘤菌（包括枯草芽孢杆菌和荧光假单胞菌）以及真菌内生菌充当纳米载体和基因组保护者（Choudhary等人，2023年）。它们生活在根部和内生环境中，可以长时间阻止纳米粒子在感染部位释放。这使得细胞更容易吸收纳米粒子，从而增加其在植物体内的可用性。在这种情况下，微生物的定植起到了空间调节纳米粒子暴露的作用，而不是表明纳米生物农药本身会对基因组造成内在伤害。为了防止纳米粒子引起的氧化损伤，这些细菌会产生抗氧化剂、渗透保护剂和植物激素（如水杨酸（SA）和茉莉酸（JA）。Ijaz等人（2024年）的研究表明，在种植番茄时，硼纳米肥料（BNFs；17.63–21.79纳米）比硅纳米粒子（SiNPs；13.02–22.33纳米）效果更好。施用于土壤的BNFs减少了78.29%的细菌萎蔫发生率，增强了抗氧化酶的活性（SOD +31.81%，POD +32.9%，CAT +32.65%，APX +47.37%），并提高了SA的浓度。其他基因也参与了防御反应（SlPAL1，SlICS1，SlNPR1，SlEDS，SlPD4和SlSARD1）。16S rRNA分析显示，有益的微生物群（Gemmatimonadaceae，Ramlibacter，Microscillaceae，Anaerolineaceae和Phormidium）更为普遍，而Ralstonia solanacearum则较少见。因此，BNFs既直接改变了根际微生物群落，也增强了植物的免疫力。菌根真菌建立了庞大的菌丝网络，帮助植物获取更多的水分和养分，并转移纳米粒子。Sun等人（2025年）发现，使用CeO₂纳米粒子与菌根接种剂结合可以改善小麦幼苗的根结构、光合作用效率以及其在UV-B光照下的ROS清除能力。这些发现表明，微生物伙伴在氧化还原调节中具有调节作用，而不是意味着纳米粒子在农业最佳条件下会内在地导致DNA断裂。这种微生物介导作用确保了纳米粒子能够保护植物免受压力，而不是引起DNA片段化。
4.3. 微生物对DNA修复和表观遗传稳定性的调控
纳米粒子可以改变或抑制参与DNA修复的基因的表达（Shukla等人，2021年）。实验系统记录表明，这种修改取决于剂量和条件。微生物的联合应用通过激活修复机制来减轻这些影响。假单胞菌和芽孢杆菌物种增强了RAD51、DNA连接酶和聚合酶基因的表达，从而促进了链断裂修复和碱基切除机制（Singh等人，2017年；Alam，2021年）。微生物可以通过表观遗传调控DNA甲基化和组蛋白乙酰化来引发植物反应。内生菌调节DNA甲基转移酶（MET1）和去甲基化酶（ROS1），从而促进应激记忆和适应性可塑性（Talarico等人，2024年；Madkour，2020年）。含有微生物接种剂的生物配方纳米粒子已被证明可以增强组蛋白乙酰化（H3和H4），从而提高染色质的可及性并促进应激诱导的转录（Musolino等人，2022年）。这种表观遗传修饰维持了基因组的稳定性，同时使防御基因保持活性。这些机制是在一个考虑DNA安全性的预防性框架内整合的，而不是作为田间条件下广泛基因组不稳定性的指标。
4.4. 表现出协同DNA保护作用的实验证据
实验结果支持了这种综合方法。Iqbal等人（2024年）发现，由芽孢杆菌介导的Fe₃O₄纳米粒子在15 mgL-1的浓度下产生了80%的愈伤组织诱导效果，优于化学合成的版本。用聚乙烯亚胺（PEI）进行功能化后，DNA更容易结合、进入细胞并迁移到细胞核。Wu等人（2017年）发现，将CeO₂纳米粒子与微生物结合可以使膜更加稳定，并减少ROS引起的DNA损伤。单独暴露于纳米粒子可能会影响关键途径，例如SA介导的SAR基因（FRK1）和磷酸盐饥饿反应的下调（Garcia-Sanchez等人，2015年）。然而，与微生物同时处理可以通过维持营养信号和免疫效能来减轻这些干扰。在120 mgL-1的剂量下，COOH功能化的MWCNTs引起了全局DNA低甲基化并刺激了酪氨酸氨基转移酶（Ghorbani等人，2023年）。微生物联合处理可以通过维持染色质稳态和调节热休克蛋白（HSPs）、脱水素和抗氧化剂的表达来防止失调（表5，图2）。总体而言，证据支持一个复杂的模型，即微生物与纳米粒子之间的相互作用提高了递送准确性，降低了基因毒性，促进了应激响应性转录，并保护了基因组的完整性（表3）。通过将纳米技术与微生物功能相结合，可以开发出既提高植物源生物农药在农业环境中的效果，又保护植物基因组完整性的DNA意识生物农药系统（图2）。这种综合方法为评估纳米生物农药系统提供了一个以设计为中心的范式，同时解决了效能和基因组兼容性问题。
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图2. 纳米工程介导的微生物在植物源生物农药中用于DNA意识递送的作用示意图。
表3. 基于植物的生物农药和纳米载体（NC）系统的综合框架：机制协同作用、益处和基因组影响。
生物农药类别/示例
NC类型（示例）
机制协同作用（生物农药 + NC）
益处
局限性/DNA安全性问题
参考文献
萜类化合物：印楝素（Neem）、除虫菊酯（Chrysanthemum）、香叶醇（Citrus）和柠檬烯（Eucalyptus）
金属纳米粒子（Ag，ZnO，TiO₂，CuO）
萜类化合物干扰昆虫激素和蜕皮，金属纳米粒子产生的ROS具有快速的杀虫和抗真菌作用
高效力；在田间具有持久效果（长达30-35天）；与其他农药具有协同作用
在≥100 mg L⁻¹的剂量下存在DNA链断裂和氧化损伤的风险；可能引起染色质浓缩
Minwuyelet等人（2025年）；Pedrotti等人（2022年）；Sharma等人（2012年）
精油（百里酚，丁香酚，肉桂醛，薄荷醇）
聚合物载体（壳聚糖，PLA，PLGA，海藻酸盐）
精油会破坏膜和群体感应，而聚合物封装可以控制酶的释放和pH值
提高挥发性活性物质的稳定性；更好的叶面附着性；免疫启动（PAL，PR1）
可能需要表面活性剂；聚合物在土壤中容易聚集；单独作为农药效果不佳
Pinto等人（2023年）；Verma等人（2022年）；Joshi（2025年）
黄酮类和酚类（槲皮素，儿茶素，单宁，香豆素）
碳基纳米粒子（CNTs，氧化石墨烯，碳点）
酚类干扰真菌酶和膜，而碳纳米粒子的π–π堆叠使其具有较大的负载能力和核穿透能力
高稳定性和系统性移动性；同时具有抗真菌和抗氧化作用；可进行成像
强烈的核穿透能力；在高剂量下引起低甲基化和小RNA失调
Ghorbani等人（2023年）；Vakili-Ghartavol，Arouiee 2025
生物碱（来自Nicotiana的尼古丁，来自Cinchona的奎宁，来自Sophora的马替林）
聚合物载体或金属纳米粒子（壳聚糖，ZnO）
生物碱是神经毒素（AChR结合物），纳米载体使它们更加稳定并帮助它们到达目标
对哺乳动物的危害较小，给药方式集中，且在土壤中的效果更持久
未封装的形式非常危险；ZnO在≥200 mg L⁻¹的剂量下有ROS诱导的DNA损伤风险
Acheuk等人（2022年）；Kumar等人（2021年）
皂苷和苷类（Diosgenin来自Dioscorea，甾体皂苷）
微生物辅助的纳米粒子（由芽孢杆菌、Paenibacillus和Aspergillus介导的Ag/ZnO纳米粒子）
皂苷在昆虫胃中分解膜，而微生物制造的纳米粒子稳定负载物并启动ISR（PR1，LOX，RBOH）
环保合成；双重机制（生物农药 + NP + 微生物）；提高产量和强度
批次间存在变异性；微生物群落可能会改变土壤微生物组
Al-Quwaie（2024年）；El-Wafai等人（2025年）；Nargund等人（2022年）
植物源生物农药如尼古丁、萜类化合物和酚酸与微生物代谢物（酶、植物激素、酸）以及丛枝菌根真菌（AMF）协同作用，以改进纳米工程过程。这些纳米配方利用吸附、π-π堆叠、氢键等机制实现快速、靶向的分布，允许ROS清除、纳米粒子破坏、DNA修复和表观遗传控制。这种综合方法保证了在植物细胞内的安全、有效和DNA意识的递送。
5. 受纳米粒子-DNA相互作用影响的分子和细胞途径
为了将纳米粒子用作生物农药，我们需要了解它们在分子和细胞水平上的作用机制。本节讨论了依赖于剂量和条件的报告分子反应，而不是普遍的遗传结果。纳米粒子可以通过叶子、根部或种子被吸收后进入细胞质甚至细胞核（Gao等人，2023年）。这些相互作用引发了一系列改变，影响基因组完整性、氧化还原平衡和转录调控。纳米粒子的剂量、大小、形状、电荷和表面化学性质是影响其作用的最重要因素（表4）。
表4. 控制植物中纳米粒子-DNA相互作用的分子和细胞机制。
纳米材料
吸收途径
DNA相互作用的机制洞察
基因毒性和表观遗传效应
保护阈值与有害剂量
参考文献
Ag-NPs
通过气孔或角质层渗透，根部内吞作用，以及核定位
通过磷酸骨架直接结合DNA；ROS过量产生；激活WRKY/NAC转录因子
双链断裂（DSBs），全局低甲基化，以及DNA修复基因的激活
在2–5 mg·dm⁻³的剂量下有益（抗氧化诱导）；在≥20 mg·dm⁻³的剂量下有害
Jadczak等人（2020年）；Sharma等人（2012年）
ZnO-NPs
通过水通道和胞间连丝进行简单运输
溶解为Zn²⁺；激活SA途径；PR基因的过度表达
改善SAR（PR1，PR5）；抑制JA依赖的防御；氧化DNA损伤
最佳剂量约为100 mg L⁻¹；在≥200 mg L⁻¹的剂量下DNA不稳定
Wang等人（2022年）；Chen等人（2024年）
TiO₂-NPs
叶部吸收 → 叶绿体 → 核转移
激活MAPK（MPK3，MPK6）；ROS介导的DNA信号传导
增强抗氧化酶，DNA连接酶和光裂解酶的过度表达；然而，在高剂量下仍会发生氧化应激
在≤100 mg L⁻¹的剂量下有益；在≥200 mg L⁻¹的剂量下有害
Gohari等人（2020年）；Tripathi等人（2022年）
CuO-NPs
根部吸收；核染色质相互作用
Cu²⁺介导的Fenton反应；改变HAT和HDAC之间的平衡
染色质浓缩，可移动元素的失调，以及DNA低甲基化
安全剂量≤50 mg L⁻¹；在≥100 mg L⁻¹的剂量下发生基因组不稳定
Kulasza等人（2024年）；Haliloglu等人（2022年）
碳纳米管（CNTs）
通过胞间连丝直接进入；进入细胞核
与碱基的π–π相互作用；ROS爆发
RNAi机制的干扰
DNA低甲基化，miRNA/siRNA谱型的改变，氧化DNA损伤
在等于或高于120 mg L⁻¹的剂量下观察到毒性
Ghorbani等人（2023年）；Cunningham等人（2018年）
5.1. 信号感知和早期应激反应
植物在暴露于纳米粒子时会迅速启动信号级联反应。活性氧物种、丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）的激活和钙信号传导是首先发生的事件（Rajpal等人，2024年）。金属纳米粒子（如AgNPs和ZnO NPs）会增加ROS的水平，导致拟南芥（Arabidopsis thaliana）和稻（Oryza sativa）的氧化应激和脂质过氧化（Tripathi等人，2022年；Singh等人，2024年）。这些ROS分子作为二级信使激活MAPKs（如MPK3和MPK6）。这些MAPKs激活参与防御和DNA修复的途径。钙调蛋白和CDPKs通过细胞质钙水平（[Ca²⁺]cyt）的变化被激活（Wdowiak等人，2024年）。这些蛋白质将纳米粒子识别信号传递到细胞核（Dekomah等人，2022年）。重要的是，ROS的产生在最佳浓度下可能在生理信号范围内进行，而在高暴露水平下过度积累会导致氧化DNA损伤。
5.2. 转录因子网络和DNA修复
信号级联反应集中在转录因子（TF）网络上，包括WRKY、NAC和MYB家族，这些因子调节防御和DNA修复反应（Hussain等人，2019年）。在油菜（Brassica juncea）中，银纳米颗粒（AgNPs）增加了WRKY40、NAC1和MYB44的表达，这与DNA修复酶和应激相关基因水平的提高有关（Sharma等人，2012年）。WRKY转录因子对植物应激响应（SAR）至关重要，而NAC因子如NAC72和ANAC013则通过非同源末端连接（NHEJ）和碱基切除修复（BER）来调节双链DNA断裂的修复（Khoso等人，2022年；Wang等人，2025年；Chen等人，2025年）。这些发现表明，纳米颗粒既可以作为基因毒性物质，也可以作为激活植物防御机制的刺激物。下面概述的双重作用展示了在受控实验中观察到的浓度依赖性反应，并不意味着在农业上适当的治疗剂量下会导致均匀的基因组损伤。
5.3. 与植物激素途径的相互作用
纳米颗粒对转录的影响与植物激素信号传导之间存在密切联系。基本的防御激素组合，如水杨酸（SA）、茉莉酸（JA）和乙烯（ET），在暴露于纳米颗粒后通常会发生变化（Tripathi等人，2022年）。氧化锌（ZnO）和二氧化钛（TiO₂）纳米颗粒会增加SA的量以及与病原体相关的（PR）基因（PR1和PR5）的活性，从而增强SAR。然而，它们经常阻碍JA介导的信号传导（Wang等人，2022年；Chen等人，2024年）。控制产生乙烯的基因（ACS6和ERF1）的方式不同，这表明在纳米颗粒压力存在的情况下，生长和防御之间有一条微妙的界限。这种激素重编程表明，纳米颗粒的存在可能产生两种效果：（i）它可能增强免疫系统；（ii）同时使防御机制变得不那么均匀。这种双向调节强调了在以DNA为中心的纳米工程范式中调整剂量和进行特定情境评估的必要性。
5.4. 表观遗传修饰和染色质动态
除了调节转录外，纳米颗粒还会引起可能持续多个发育阶段或世代的表观遗传变化。DNA甲基化调节因子MET1（保持CG甲基化）和ROS1（去甲基化）会根据纳米颗粒压力改变其产生程度，特别是当它们由ROS或产离子材料制成时（Jing等人，2022年）。玉米（Zea mays）中的CuO纳米颗粒会影响组蛋白乙酰转移酶（HATs）和去乙酰化酶（HDACs）的活性，从而改变应激响应位点的染色质可及性（Kulasza等人，2024年）。这些表观遗传改变可能会引发适应性反应；然而，它们也有可能错误地调节DNA修复和移动元件，因此需要设计出对DNA有意识的纳米颗粒。关于表观遗传修饰的报道主要来自受控实验暴露，需要长期的跨代验证。
5.5. 微生物对纳米颗粒诱导途径的调节
有益的微生物作为额外的控制层，可以减轻由纳米颗粒-微生物诱导剂（如脂肽、挥发性有机化合物（VOCs）和群体感应分子）引起的基因毒性压力，通过干扰素反应（ISR）来调节ROS爆发和转录因子（TF）的活性。例如，在含有ZnO纳米颗粒的番茄中添加B. amyloliquefaciens可以通过关闭产生ROS的基因并激活修复DNA的基因RAD51和LIG1来降低氧化应激（Khan等人，2017年；Moreau等人，2020年）。微生物在与纳米颗粒接触时也可以维持表观遗传状态。内生菌，如Piriformospora indica和A. brasilense，可以增强应激相关位点的组蛋白乙酰化，从而减少纳米颗粒诱导的过度甲基化并维持防御基因的转录（Bandyopadhyay等人，2022年）。此外，微生物对短RNA（如miRNAs和siRNAs）的调节与通过平衡基因沉默和表达来增强植物对纳米颗粒的反应有关，以防止基因组不稳定（Tembo等人，2025年）。研究表明，纳米颗粒通过信号级联、激素相互作用、转录因子激活和表观遗传修饰影响植物基因组（表4）。这些改变可能增强防御；然而，它们也可能危及基因组的完整性。本综述将这些结果解释为条件依赖性的反应，这些反应指导纳米生物农药的设计，而不是不可避免的染色体不稳定性的迹象。微生物伙伴通过调节氧化还原平衡、维持染色质稳定性和增强DNA修复机制，起到生物屏障的作用。这些发现强调了基于DNA的纳米工程的重要性，它直接解决了植物-纳米颗粒-微生物相互作用问题，从而制定出安全有效的生物农药递送系统。图3展示了纳米颗粒的物理化学特性（剂量、大小、表面电荷、涂层）如何在分子水平上驱动植物的反应。纳米颗粒的暴露会启动早期信号过程，如ROS的形成、钙离子（Ca²⁺）的流动以及丝裂原活化蛋白激酶（MAPKs）的激活，这些过程最终影响转录因子网络（WRKY、NAC、MYB）和DNA修复途径（RAD51、BER、NHEJ）（Gracia-Sanchez等人，2021年；Tripathi等人，2025年）。表观遗传过程，如DNA甲基化和组蛋白乙酰化，也会改变染色质的功能（Sanei等人，2023年）。EPS涂层、抗氧化剂的生成、群体感应和纳米颗粒的降解都有助于减少氧化应激并提高递送准确性（Hu等人，2024年）。这导致了依赖于剂量和成功害虫控制的基因组兼容性。
6. 生物相容性、基因毒性和风险评估
在农业中使用纳米技术既有积极的一面，也有消极的一面，尤其是在递送基于植物的生物农药方面。少量的纳米颗粒可以增加生物活性化学物质的可用性，帮助植物抵抗疾病。然而，在较高浓度下，它们会损害DNA，导致染色体问题，并长期改变基因的表达方式（Kapeleka和Mwema，2024年；Das等人，2025年）。这些后果被记录为在实验系统中观察到的浓度和情境依赖性效应。纳米颗粒的毒理学行为由剂量、物理化学特性（大小、形状和表面化学性质）以及细胞相互作用决定，需要严格的风险评估以确保基因组安全（表5）。
表5. 作为纳米生物农药系统中基因组保护者的有益微生物：保护机制
微生物组
作用机制（从分子到细胞再到生态）
纳米颗粒诱导的基因毒性压力影响（指标）
定量结果和示例参考文献
根瘤菌（芽孢杆菌、假单胞菌）
分子：增强抗氧化剂（GSH、SOD、CAT、APX）；铁载体介导的金属螯合
细胞：EPS/生物膜捕获纳米颗粒；ISR激活DNA修复基因（RAD51、LIG1）和应激转录因子（WRKY、NAC）
生态：根际定殖减少纳米颗粒的生物利用度
ROS（H₂O₂、MDA）减少25–50%；RAD51/LIG1表达增加2–4倍；彗星试验尾部矩减小
芽孢杆菌来源的ZnO纳米颗粒（32纳米；+34.3毫伏；PDI 0.21）显示出<0.14%的植物毒性；根瘤菌减轻了高达≤200 ppm的金属纳米颗粒压力
Upadhayay等人（2023年）；Nargund等人（2022年）；Koedrith等人（2021年）
铜绿假单胞菌（野生型与ΔgshA/ΔgshB/ΔgshB）
分子：GSH（gshA、gshB）维持硫醇-氧化还原平衡；通过GPx和甘油醛酶解毒ROS/RES
细胞：调节色素、运动性和生物膜
生态：支持抗氧化应激抵抗和毒力
GSH缺乏增加ROS敏感性，降低毒力、运动性、铁载体/色素合成，并改变生物膜形成，通过MIC变化测量，基因表达变化≥2倍
在果蝇中，Δgsh突变体对百草枯的敏感性增加，甲基乙二醛耐受性下降四倍（通过GSH纠正），宿主存活率增加两到五倍
Wongsaroj等人（2018年）
内生菌（细菌和真菌）
分子：DNA甲基化和去甲基化（MET1和ROS1）；组蛋白乙酰化（H3和H4）
细胞：清除活性氧；细胞内纳米颗粒运输
生态：保持应激状态
一致的甲基化（MSAP/亚硫酸盐），抑制过度/低度甲基化，减少8-oxoG
内生菌减轻GO/CNT引起的表观遗传紊乱，增强抗氧化活性，并减少DNA氧化
Musolino等人（2022年）；Talarico等人（2024年）
AMF
分子：增加抗氧化酶和营养吸收（磷、铁、锌）
细胞：菌丝重新分布并稀释纳米颗粒；激活与光合作用相关的基因（psbA、rbcL）
生态：减轻纳米颗粒压力
DNA片段化减少30–60%；SOD和CAT增加20–90%；MDA减少高达40%
AMF与二氧化铈（CeO₂）结合增强了根系结构并减少了彗星试验损伤；AMF减少了根部和茎部的铅和锌吸收
Sun等人（2025年）；Hage-Ahmed等人（2019年）
合成微生物群
分子：通过JA、SA和乙烯（ET）进行ISR；脂肽和VOC化合物
细胞：群体感应调节纳米颗粒释放；聚合物的酶促分解
生态：靶向递送至根际
ROS减少40%，Fv/Fm稳定性提高，系统纳米颗粒积累减少
芽孢杆菌和假单胞菌合成微生物群在AgNP压力下保持了光合作用并降低了H₂O₂水平；藻酸盐-壳聚糖载体被合成微生物群酶破坏
Shukla等人（2022年）；Das等人（2025年）
黑曲霉、黄曲霉、烟曲霉；链霉菌；大肠杆菌；金黄色葡萄球菌
分子：纳米颗粒诱导ROS，导致8-oxoG损伤和OGG1介导的BER；微生物还原酶在纳米颗粒合成过程中介导金属离子还原
细胞：膜破坏；酶失活；氧化DNA损伤导致的复制错误
生态：抑制病原微生物；减少纺织品的定殖和传播
8-oxoG积累；OGG1活性；抗真菌指数；纳米颗粒涂层表面的微生物存活率
62-75%的抗真菌活性（曲霉菌属）；48小时内大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、黑曲霉在纳米颗粒纺织品上的存活率减少100%
AgNPs：20–60纳米（平均35.2纳米；SPR 420纳米）
细胞外CuO/ZnO纳米颗粒：100–150纳米（链霉菌）
Thenmozhi等人（2013年）；Zhang等人（2023年）；Usha等人（2010年）
酵母（Meyerozyma、酿酒酵母）
分子：谷胱甘肽囊泡；组蛋白甲基化（H3K4、H3K36）；外排转运蛋白
细胞：减少纳米颗粒在细胞核中的积累
生态：生成毒性较低的生物涂层纳米颗粒
核纳米颗粒摄取减少；染色质凝聚抑制；转录组恢复
Meyerozyma guillermondii-AgNPs（100.9纳米，−23.7毫伏）提高了番茄果实产量（79.6-113.2克），并且比化学AgNPs具有更低的植物毒性
Salem和Fouda（2021年）；Chou等人（2023年）；Pagels等人（2021年）
蓝细菌/藻类
分子：EPS介导的纳米颗粒隔离；抗氧化剂（抗坏血酸、类胡萝卜素）；固氮支持DNA修复
细胞：EPS限制纳米颗粒进入；抗氧化剂减少ROS
生态：在纳米颗粒压力下稳定根际
氧化DNA损伤减少20–40%；保持质体DNA完整性
蓝细菌EPS固定AgNPs并减少了根际中的DNA损伤；藻类-细菌联合体在重复纳米颗粒暴露下增强了基因组稳定性
Hamida等人（2020年）；Laroche 2022
6.1. 剂量依赖性效应和毒理学阈值
纳米颗粒在植物中的作用的一个特点是它依赖于剂量。当基于金属的纳米颗粒（如ZnO、TiO₂、Ag、SiO₂）处于低到理想水平时，它们可以激活抗氧化酶、响应压力的基因和生长调节因子。然而，当剂量较大时，它们会从生物刺激剂转变为植物毒性物质，从而破坏细胞内的氧化还原和DNA稳定性平衡。Gohari等人（2020年）证明，用0-100 mM NaCl培养的Dracocephalum moldavica其农艺品质下降，但用100 mg L⁻¹ TiO₂纳米颗粒处理显著缓解了这些效应。这种剂量增加了抗氧化酶的活性，降低了H₂O₂水平，并在非盐条件下产生了最高的精油含量（1.19%），主要成分包括香叶醇、z-柠檬醛、香叶酰乙酸和香叶醇。同样，100 mg L⁻¹的TiO₂和ZnO纳米颗粒使Brassica napus L.对Pb（300 mg Kg-1土壤）的毒性降低，通过提高抗氧化酶的活性（POD +93.8%，CAT +91.3%，SOD +81.8%，APX +78.5%），降低了氧化应激标志物（MDA −44.3%，−38.3%；H₂O₂ −59.9%，−53.1%），并提高了SPAD值（TiO₂为79.1%，ZnO为68.9%）。在茎部（TiO₂），铅积累减少了84.1%，而营养吸收（锌、铁、锰、镁、钙和钾）显著增加。Lavandula angustifolia中也观察到了这些浓度。Jadczak等人（2020年）发现，2-5 mg·dm⁻³的AgNPs或AuNPs显著增强了APX和SOD活性，改善了ABTS•+的清除，并提高了多酚水平。增加剂量（20-50 mg·dm⁻³）使这些酶的活性降低，表明毒性开始出现。AuNPs在所有剂量下都增加了POX活性，但两种纳米颗粒对CAT活性没有影响。这些结果表明存在重要的限制（TiO₂/ZnO约为100 mg L⁻¹，Ag/Au约为2-5 mg·dm⁻³），这些剂量提供了最大的益处和最小的伤害。这些范围应被视为特定于研究的观察结果，而不是普遍的安全阈值。重要的是，阈值因植物种类、纳米颗粒类型和暴露时间而异，这突显了进行统一风险评估和持续监测基因组结果的必要性。
6.2. 尺寸、形状和表面化学性质的影响
纳米颗粒的大小、形状和电荷对其被细胞吸收的方式及其对DNA的损害程度有显著影响。较小的纳米颗粒（<50纳米）能更有效地穿透细胞壁和胞间连丝，到达细胞核和叶绿体，直接改变DNA和光合作用机制（Ha等人，2021年；Cunningham等人，2018年）。Zhang等人（2022年）发现，拟南芥植物对棒状AuNPs的吸收优于球形AuNPs。表面电荷影响纳米颗粒的吸收方式以及DNA与它们的相互作用。研究表明，带正电荷和负电荷的纳米颗粒都可以进入气孔。例如，NH₂-GQDs（13纳米）和OH-GQDs（14纳米）在玉米中（Sun等人，2022年）以及FITC标记的ZnO纳米颗粒（~40纳米）在小麦中（Zhu等人，2021年）。阳离子纳米颗粒经常表现出对带负电的DNA和膜的强粘附性，从而增加了风险（Sun等人，2019年）。这种相互作用的程度取决于暴露浓度和在植物组织内的持续时间。表面功能化处理，如PEG化、柠檬酸稳定化和壳聚糖涂层，通过降低聚集和不受控制的吸收来提高生物相容性（Javed等人，2020年）。这些修改还影响生物农药的释放速度，这直接关系到它们的效果以及对生物体的安全性。6.3 基因组稳定性和长期风险除了急性毒性外，长期暴露于纳米颗粒还会引发关于表观遗传重编程和可遗传基因组不稳定性的担忧，这可能会改变DNA甲基化（MET1、ROS1）、组蛋白修饰和小RNA表达，进而影响基因在几代人中的开启和关闭方式（Abdulraheem等人，2024年；Amirheidari和Satarzadeh，2024年；Cavallo等人，2023年）。Haliloglu等人（2022年）发现，暴露于ZnO、CuO和γ-Fe₃O₄纳米颗粒的小麦胚胎在浓度为一到两倍时表现出更高的多态性和高甲基化率以及较低的基因组模板稳定性（GTS）。在浓度为三倍时，MspI和HpaII的多态性降低，表明发生了低甲基化和表观基因组不稳定。ZnO和CuO导致的高甲基化程度高于γ-Fe₃O₄，这表明纳米颗粒的组成对其有影响。DNA损伤通常包括8-氧鸟嘌呤损伤、单链断裂（SSBs）和双链断裂（DSBs）（David-Cordonnier等人，2022年）。长期暴露于纳米颗粒可能会影响修复系统，如碱基切除修复（BER）和同源重组（HR），导致染色体不稳定，尤其是在快速分裂的分生组织中（Banerjee和Roy，2021年）。目前大多数信息来自受控的实验室环境；大规模的代际评估仍然有限。6.4 微生物对纳米颗粒诱导的基因毒性的缓解微生物伙伴提供了有效的方法来减轻纳米颗粒引起的遗传危害。荧光假单胞菌介导的根际生物膜可以将AgNPs隔离在细胞外，从而减少ROS的产生和在番茄幼苗中的细胞渗透（Upadhayay等人，2023年）。有益细菌，包括枯草芽孢杆菌、巴西固氮螺菌和哈茨木霉，会产生抗氧化剂，如谷胱甘肽、抗坏血酸、过氧化氢酶和黄酮类化合物，这些物质可以中和ROS并激活宿主的DNA修复和抗氧化途径。这种双管齐下的方法增强了生物体中和外部来源ROS的能力，并激活其修复系统，有助于防止纳米颗粒对DNA造成伤害。将微生物接种剂添加到纳米生物农药配方中可以使它们更持久，降低基因组不稳定的可能性，并确保纳米技术以不会损害DNA的方式应用于农业生态系统（表5）。这些缓解策略有助于开发出既有效又与基因组兼容的纳米生物农药系统，而不是暗示其具有内在的基因毒性。7. 为DNA安全应用设计智能纳米颗粒获取纳米生物农药的下一步是构建具有DNA感知设计原则的智能纳米载体，使其在满足特定条件时释放有效载荷，同时以有利于环境的方式与植物-微生物相互作用并保持基因组稳定。以下部分将讨论刺激响应型纳米载体、针对亚细胞结构的设计、可降解设计以及绿色纳米技术的新进展。所有这些都是朝着设计持久且对DNA安全的递送系统迈出的步伐。这些策略试图在减少田间相关条件下的无意染色质水平相互作用的同时提高递送精度。7.1 用于靶向基因和生物农药释放的响应型纳米载体智能纳米载体可以在检测到pH值、温度、氧化还原平衡、酶活性或微生物信号的变化时释放有益物质。这种时空精确性降低了基因干扰和脱靶相互作用的可能性。微生物响应型纳米颗粒提供了一种可行的方法，因为它们仅在与有益根际细菌或根部分泌物相互作用时才会被激活。这些系统利用来自群体感应分子（如N-酰基高丝氨酸内酯和蓝藻菌素）或植物的有机酸和黄酮类化合物的生态信号来激活其释放。例如，基于海藻酸盐的纳米载体在响应荧光假单胞菌等微生物的群体信号时，仅在根际释放农药，并在不引起DNA片段化的情况下增强拟南芥的防御能力（Saeki等人，2022年；Homaei等人，2025年；Cheng等人，2024年；Dawood等人，2025年）。这种与微生物定殖的合作提高了生物农药的效果，同时保持了基因组的完整性。传统的纳米颗粒基因递送技术，如介孔二氧化硅和碳点，已被发现与染色质紊乱和DNA双链断裂有关（Zheng等人，2024年）。这些观察结果主要基于受控的实验研究，可能受到浓度、暴露时间和表面化学性质的影响。目前使用可生物降解的刺激响应型聚合物，如壳聚糖、右旋糖酐和木质素来解决这个问题（Srivastava和Choudhury，2022年；Ramos-Valle等人，2024年）。含有二硫键交联剂的壳聚糖纳米颗粒能够实现氧化还原敏感的DNA释放，确保DNA可以在细胞质中运输而不积累ROS（Dhiman等人，2023年）。脂质-聚合物混合物和其他对pH值和病原体酶都有响应的技术具有更高的特异性。Imran等人（2025年）最近报告称，由禾谷镰刀菌引起的赤霉病（FHB）对全球小麦生产构成了重大威胁，因为它会降低产量并使谷物受到霉菌毒素的污染，而由于抗性和环境考虑，化学控制变得越来越受限。喷雾诱导的基因沉默（SIGS）使用外源dsRNA关闭宿主和病原体中的重要基因。这是一种长期解决方案，因为它使真菌的危害降低，并帮助植物更好地自我防御。纳米技术通过使dsRNA更加稳定、更容易移动和吸收来改进这种方法。微生物系统还允许大规模低成本地生产相关产品。纳米技术支持的SIGS作为一种处理FHB的新方法具有巨大潜力，尽管在田间使用和获得监管批准可能会很困难。7.2 核定位和表面配体工程传统纳米颗粒可能会无意中进入细胞核并与染色质相互作用，增加基因毒性的可能性。进入细胞核的概率取决于纳米颗粒的大小、表面电荷和暴露参数。为了解决这个问题，现代设计修改了核定位信号（NLSs）并使用了各种配体（Magdolenova等人，2012年；Shukla等人，2021年）。可切割的连接剂或空间受阻的NLS基序，如PKKKRKV，可以防止不受控制的核导入。只有在病原体存在时才会发生激活（Lu等人，2021a；Lu等人，2021b）。非核配体，包括根特异性寡糖、凝集素或细胞穿透肽（CPPs），如R8或TAT，将货物导向细胞质或细胞外空间，绕过基因组区室（Liu等人，2023年）。用pH值或氧化还原敏感的连接剂改性的介孔二氧化硅纳米颗粒在富含病原体的根际表现出位点特异性激活，从而限制了系统积累和核干扰（Kong等人，2021年；Nasif等人，2024年）。Chen等人（2023年）开发了一种基于纳米二氧化硅的杀菌剂，显著减轻了由致病疫霉菌引起的马铃薯晚疫病。在所测试的配方中，介孔二氧化硅纳米颗粒（MSNs）表现出最强的抗菌效果，抑制了98%的致病疫霉菌。机制研究表明，MSNs选择性地诱导了细胞内ROS的自发生成，包括羟基自由基（•OH）、超氧阴离子（•O2-）和单线态氧（1O2），导致氧化应激、过氧化损伤和病原体细胞结构的破坏。这项研究提供了ROS介导的针对致病疫霉菌的选择性毒性的初步证据。此外，盆栽实验和叶片/块茎感染试验证实了MSNs的显著保护效果及其对植物的安全性，突显了它们作为可持续下一代杀菌剂管理晚疫病的潜力。此外，用植物PRR配体或微生物粘附肽进行功能化可以提高靶向精度，同时减少意外的DNA相互作用（Sanjay等人，2025年）。促进植物生长的根际细菌，如枯草芽孢杆菌，产生的生物纳米载体具有生物相容性并对酶有响应（Prakash等人，2025年）。这种方法符合DNA感知设计概念。7.3 受控降解和生物安全机制确保纳米颗粒不会在植物组织或土壤中积累是DNA安全设计的一个关键特征，因为在某些暴露条件下长期暴露可能会影响基因组的长期稳定性（Koedrith等人，2021年）。可控降解纳米载体在特定的环境或微生物触发因素作用下分解，从而减轻长期风险（Parvin等人，2025年）。由壳聚糖或PLGA组成的聚合物纳米颗粒可以带有酶不稳定的连接剂（如纤维素酶或酯酶敏感的连接剂）或氧化还原敏感的二硫键。这些连接剂可以在含有微生物酶和谷胱甘肽的应激组织或根际中分解（Abouelmagd等人，2015年）。这种有针对性的分解减少了氧化DNA损伤和系统过度积累。天然聚合物，如壳聚糖、木质素、淀粉衍生物和聚羟基烷酸酯（PHAs），分解成无害的代谢物，使其具有生物相容性和环境友好性（Wypij等人，2023年）。金属纳米颗粒（ZnO、Fe₃O₄、TiO₂）可以涂覆可生物降解的物质，如右旋糖酐、明胶或微生物胞外多糖，以减少其自然反应性并阻止直接接触DNA（El-Khawaga等人，2025年）。微生物介导可以增强生物安全性；根际细菌，如巨大芽孢杆菌和假单胞菌，可以通过生物转化、生物矿化或氧化还原转化来生物转化、解毒或固定纳米颗粒（Riseh等人，2023年）。富含抗氧化酶和细胞外聚合物物质的生物膜通过缓冲ROS并防止纳米颗粒穿透来保护DNA（Gunn等人，2016年）。这些可编程的降解电路结合了由群体感应控制的自我拆卸机制，代表了提高纳米生物农药安全性的新兴方法。7.4 聚合物和绿色合成纳米颗粒的进展将聚合物纳米技术与绿色合成相结合，可以创建持久的DNA感知递送系统（Hosseingholian等人，2023年）。来自壳聚糖、海藻酸盐、PLGA和纤维素衍生物的聚合物纳米颗粒因其低毒性、可生物降解性和可调的物理化学性质而具有优势（Rescignano等人，2015年）。由于它们对微生物酶和根际pH值敏感，因此可以将其递送到特定位置而不会靶向细胞核。来自植物、真菌、细菌和藻类的绿色合成纳米颗粒不需要有害的还原剂，并具有天然生物活性涂层（蛋白质、黄酮类化合物和多糖），这些涂层增强了胶体稳定性并减少了ROS的产生（Salem和Fouda，2021年）。使用枯草芽孢杆菌、假单胞菌和链霉菌的微生物合成方法可以精确控制纳米颗粒的大小和电荷，同时直接将群体响应部分添加到合成基质中（Lahiri等人，2021年）。这些生物活性涂层降低了DNA结合亲和力，减少了非特异性核相互作用，并促进了DNA保护的递送模式。创新的混合平台将聚合物外壳与绿色合成的纳米颗粒核心结合在一起（Abady等人，2025年）。例如，由荧光假单胞菌生成的ZnO纳米颗粒封装在海藻酸盐-壳聚糖壳中，在根际激活时仅释放农药，同时保持基因组稳定性（Upadhayay等人，2023年）。8. 结论和未来方向纳米技术和植物-微生物生物学的结合代表了可持续作物保护的重大进展，实现了植物源生物农药应用的前所未有的精确度，同时考虑到基因组稳定性。这项分析强调了推进DNA感知纳米工程的必要性，其中纳米载体不仅为杀虫效果而设计，还特别注重减轻基因毒性和表观遗传干扰。在这种技术中，促进植物生长的微生物成为重要伙伴，因为它们可以降低纳米颗粒引起的氧化应激，保护染色质稳定性，并在特定位置增强生物农药的激活。尽管有这些改进，将纳米生物农药技术从受控实验室条件推广到大规模农业仍然具有挑战性。缺乏统一的生物安全规则，以及不同植物物种、土壤和气候条件下纳米颗粒命运的差异，限制了其广泛采用。为了填补这些空白，来自不同领域（包括分子生物学、生态学和监管）的研究人员需要共同努力。首先，需要明确机制，这需要使用多组学平台（包括转录组学、表观基因组学、蛋白质组学和染色质可及性映射）全面阐明纳米颗粒-DNA相互作用。其次，微生物联合体的设计应侧重于开发定制的合成微生物群落（SynComs），这些微生物群落与纳米载体合作以减轻氧化应激并促进生物农药向根际的递送。第三，智能载体系统的进展，如刺激响应型、可生物降解和群体感应激活的纳米材料，对于实现自我调节的释放动力学、降低环境持久性和减少脱靶基因组后果至关重要。长期的生态研究对于调查跨代遗传稳定性、土壤微生物组动态和农艺现实背景下的营养级后果至关重要。这些研究应强调基于田间的验证，以补充当前的实验室发现。最后，应在国际层面统一批准纳米生物农药的标准。这些规则应包括基因组终点、微生物抗逆性和生态安全指标。通过将基因组完整性和微生物抗性作为设计的首要考虑因素，下一代纳米生物农药可以帮助作物更好地生长，并对环境更加友好。这些基于DNA的微生物传递技术符合全球可持续发展目标，包括提高粮食安全和采用环保农业方法。
利益冲突声明：作者声明不存在利益冲突。
未引用的参考文献（勘误表，2024年；David-Cordonnier等人，2001年；FAO，2017年；Garcia-Sanchez等人，2021年；Li等人，2024年；Onsomu Araka，2018年；Upadhyay，2025年；Upadhyay等人，2025c年）
CRediT作者贡献声明：Sudhir Kumar Upadhyay：撰写——审稿与编辑；撰写——初稿；概念构思。
利益冲突：作者声明不存在利益冲突。
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