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將植物病毒改造成益於作物生長的奈米級農業資材

2019/05/29 @國際

將植物病毒改造成益於作物生長的奈米級農業資材

  為降低病蟲帶來的危害,農民會配合作物生長週期,適當地施用農藥。由於農藥多數無專一性,萬一施用不當,恐將破壞農地周圍的食物網,進而影響周邊生態系的平衡。隨著環保意識的抬頭及農藥安全使用管理觀念的導入,除了消滅農業害蟲、調節農林作物生長外,也應避免造成區域環境的負荷,為此農藥的施用上也逐步朝向精準農作(precision farming)的思維進行管理與實踐。為對農地精準地施藥、降低環境衝擊,美國加州大學聖地牙哥分校(University of California San Diego)的研究團隊,利用植物病毒作為投藥載體,研發出高滲透性的奈米農藥(nanopesticide)。
  為開發出具有局部緩釋及能輕易在環境降解的材料,研究團隊將目標放在奈米級材料的研製。有別於以往以人工合成為主的奈米材料,研究團隊利用植物病毒顆粒作為承載藥劑的載體,選擇菸草微綠嵌紋病毒(tobacco mild green mosaic virus,簡稱TMGMV)、豇豆嵌紋病毒(cowpea mosaic virus,簡稱CPMV)及酸漿嵌紋病毒(Physalis mosaic virus,簡稱PhMV)作為研究材料,並與中孔洞奈米矽材(mesoporous silica nanoparticles,簡稱MSNPs)、聚乳酸聚乙醇酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid),簡稱PLGA)等常見的藥物釋放系統進行比較。研究團隊首先測量這些材料在土壤介質中的移動性(mobility),並結合電腦模擬出材料的移動深度、應施用劑量、藥物釋放時間等數據發現,菸草微綠嵌紋病毒與豇豆嵌紋病毒能擴散到地表下30公分的土壤中,並精準地緩慢釋放殺線蟲藥,有效防治危害植物根部的線蟲,相比下,人工合成的奈米材料僅能移動至土壤下12公分的深度,較無法為深根系作物提供更為全面的保護。
  面對較佳的移動效果,研究團隊推論,這可能與病毒表面特殊的幾何構造及化學組成有關,使得病毒材料能輕易地穿透土壤孔隙。在這些幾何構造中,又以長棒狀的菸草微綠嵌紋病毒優於其他球狀的奈米材料,再加上其棒狀表面擁有多種化學物質,使其能與不同土壤介質進行交互作用,也因此該奈米材質能在土壤中擁有較佳的表現。
  研究團隊建立的這套研究模式,有助於提升其他生物性材料的研發進程,只需簡單的設備,在電腦輔助模擬下,將原本需費時1個月的研究濃縮成4天。這項研究同樣為精準農業(precision agriculture)、病蟲害防治管理技術與環境安全作出重大的貢獻。
  該研究由美國國家科學基金會(National Science Foundation)及美國國家衛生研究院(National Institutes of Health)資助,相關研究成果發表在<Nature Nanotechnology>。

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