基于介孔二氧化硅纳米粒子的番茄早疫病抑菌活性及应用研究

埃及基础与应用科学杂志5（2018）145完整文章制备的介孔二氧化硅纳米粒子对番茄早疫病的抑菌活性Aly Derbalaha，b，al-al-al，Mohamed Shenashena，Amany Hamzab，Ahmed Mohamedc，Sherif El Saftya，da国家材料科学研究所（NIMS），1-2-1 Sengen，Tsukuba-shi，Ibaraki-ken 305-0047，JapanbKafr-El-Shiekh大学农业学院农药化学和毒理学系，埃及c埃及吉萨农业研究中心植物病理学研究所d早稻田大学研究生院高等科学与工程学，日本东京新宿区大久保3-4-1，邮编169-8555阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年8月12日收到收到修订版，2018年4月28日接受，2018年2018年5月18日在线提供关键词：防治病害纳米颗粒番茄二氧化硅A B S T R A C T人们越来越感兴趣的是，在植物病害管理中制定替代战略，以减少对合成化学品的依赖。本研究以甲霜灵为对照，合成了介孔二氧化硅纳米粒子（MSN），并对其直接抑菌活性进行了评价。solani在实验室和温室条件下。MSN的高孔隙率、小粒径和合适的形状等结构特征是其对番茄早疫病菌具有较高抑菌效果的主要原因。实验室合成的MSN显示番茄生长参数与未处理的对照相比显著增加。我们的研究提出了使用MSN作为防治番茄早疫病的有效和安全的杀真菌剂替代品的有希望的©2018 曼 苏 拉 大 学 。 由 爱 思 唯 尔 公 司 制 作 和 主 持 这 是 一 篇 基 于 CC BY-NC-ND 许 可 证 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。介绍番茄（Lycopersicon esculentumL.）H.喀斯特。）是世界上重要的蔬菜作物。番茄早疫病是世界范围内最具破坏性的病害之一，高达80%的产量损失归因于该病[1番茄早疫病的防治主要依赖于合成杀菌剂的频繁使用。许多杀真菌剂是对抗这种病原体的潜在化合物，但这些化学品不是理想的长期解决方案，因为成本高，残留量大，对环境和人类健康有影响[4此外，还对植物病原菌如A.抗杀真菌剂的Solani是主要关注的问题[8，9]。因此，需要安全、有效和生态友好的控制剂[10]。近年来，寻找新的害虫防治剂已成为一项紧迫的任务。纳米技术可以在这方面发挥重要作用。用于检测和控制植物病害的新型试剂的开发是纳米技术对农业和食品系统的主要贡献的例子[11]。纳米技术可以在现有植物保护工具的进展中发挥多种作用[12]，并可用于控制植物病原体的控制剂递送或疾病检测。*通讯作者：Kafr El-Sheikh大学农业系农药化学和毒理学，33516 Kafr El-Sheikh，埃及。电子邮件地址：ali. agr.kfs.edu.eg（A. Derbalah）。介孔材料如二氧化硅具有广泛的应用，即，疾病的诊断和治疗[13近年来，介孔氧化硅因其独特的结构特点，如均匀的孔道结构、窄的孔径分布、良好的生物相容性、低毒性和化学稳定性而受到广泛关注。许多努力已经投入到改进和操纵这种材料的各种appli-阳离子。此外，具有工程化特征（包括几何形状、框架矩阵、组成和活性位点功能）的介孔和纳米材料的设计在用于医学和农业目的的应用中具有重要的优势在这项研究中，我们描述了介孔二氧化硅纳米粒子（MSN）的合成和评价与大，可调，开放的圆柱形孔作为潜在的抗真菌剂对A。 solani在实验室和温室条件下。 以推荐的杀菌剂甲霜灵为对照，评价了MSN对番茄早疫病的防治效果。材料和方法化学品来源正硅酸四甲酯（TMOS）、十二烷（C12 H26）和聚（环氧乙烷-b-环氧丙烷-b-环氧丙烷）的三嵌段共聚物https://doi.org/10.1016/j.ejbas.2018.05.0022314- 808 X/©2018曼苏拉大学。由爱思唯尔公司制作和主持这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表埃及基础与应用科学杂志杂志主页：www.elsevier.com/locate/ejbas146A. Derbalah et al./Egyptian Journal of Basic and Applied Sciences 5（2018）145-150环氧乙烷）（Pluronic P123; E020 P070 E020）购自Sigma-Aldrich公司（美国）。这些分析级化学品不经进一步纯化而使用。甲霜灵是防治番茄早疫病菌的推荐杀菌剂;该化学品的商品名为甲霜灵25% EC南京精华精细化工有限公司，公司从农业发展公司获得（埃及开罗）。MSN的合成使用一锅法直接模板法合成MSN，如先前报道的[18MSN的特点使用Belsorp Min-II分析仪测试77 K下的N2吸附-脱附等温线。基于N2吸附等温线。圆柱形孔径通过Barrett-Joyner-Halenda（BJH）分析来定义用18 kW衍射仪（Bruker D8 Advance）用单色化Cu Ka照射进行所制造的材料的小/广角粉末X射线衍射（XRD）测量。用200 kV电子显微镜（JEOL 2000 EX II）获得透射电子显微镜（TEM）显微照片。用Hitachi S-4300显微镜获得场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）图像。 碳带用作基底以在插入腔室之前将MSN粉末固定在SEM台上。用Bruker AMX-500光谱仪获得29 Si MAS NMR光谱生长抑制评价了MSN和甲霜灵对A. Solani在实验室条件下。功效被确定为相对于对照处理的生长抑制百分比。将马铃薯葡萄糖琼脂（PDA）培养基倒入皮氏培养皿中，每皿15ml固化后，在每个板的中心冲压一个孔 在平板的中心用带有来自A. Solani培养物（5天培养物）。将浓度为100、200、300和400 mg/l的50mlMSN和甲霜灵溶液加入到各自的冲孔中。将50ml灭菌液体培养基的等分试样加入选定的孔中作为对照。用石蜡膜密封板以减少测试材料的蒸发。延长平板在28 °C下的孵育时间，直至A.未处理对照中的solani（菌丝体到达板的边缘）。采用Vincent [21]的公式计算A的抑制百分比。如图所示，Eq.（一）.每种处理重复三次，每次重复保持五个平板。I%¼A-B= A× 100Ω 1 Ω其中A是对照中的真菌径向生长，B是处理中的真菌径向生长。孢子悬液致病A.将分离自受感染的番茄植物并在埃及吉萨植物病理学研究所鉴定的茄病菌在马铃薯葡萄糖琼脂上培养。为了促进孢子形成，在使用前每天将培养物暴露于荧光灯（80mmol/m2/s）下6 h。对于每个皮氏培养皿，加入10 ml无菌水，并使用无菌的培养皿收集分生孢子。刷.将真菌的孢子悬浮液通过三层尼龙网过滤。用血细胞计数器测定分生孢子浓度并调节至106分生实验设计和处理在埃及Kafr El-Sheikh大学农场的温室条件下，在两个生长季节（2013/2014-2014/2015）的盆栽中研究了MSN的功效本实验采用完全随机设计，重复4次，以保证实验数据的准确性.对于每个盆，将5个一个月大的番茄幼苗（GS 13品种）移植（20 cm高; 25 cm直径），用无菌土壤填充。移栽两周后，用A. Solani作为叶面喷雾，孢子悬浮液为10 6分生孢子/ml [22]。将接种的植物用塑料袋覆盖48小时，以保持高相对湿度并支持真菌感染[23]。培养一周后，用手动喷雾器以200和400毫克/升的浓度水平用MSN和甲霜灵喷洒各个生长中的幼苗番茄幼苗以10天的间隔喷洒两次。对照处理仅用水喷洒。在最后一次喷雾10天后确定疾病严重程度。[24]的量表用于计算疾病严重程度。在最后一次喷雾10天后测量植物高度、鲜重和干重统计分析使用JMP软件版本8进行数据的统计分析，使用Turkey KramerHSD检验确定P = 0.05水平下治疗之间的显著差异。结果制备的MSN抗真菌剂MSN抗真菌剂的SA-XRD图如图IA所示。该图案反映了制造的MSN的良好有序结构，具有良好分辨的衍射峰和具有高度有序的介观结构的Ia 3d对称性的特征SA-XRD图案。SA-XRD图显示了良好定义的（2 11）、（2 2 0）、（4 0 0）和（3 3 2）衍射平面，这些衍射平面是高度有序的立方Ia 3d纳米相域的特征（图1）。 1 A）。通过N2吸附等温线检查立方Ia3d二氧化硅MSN的孔径分布（图2）。等温线表现出典型的IV型吸附，具有典型的圆柱形中孔材料的典型H1滞后回线[19，25]。用BET法对吸附等温线进行了分析，结果表明：SiO2的SBET为489 m2/g，VP为0.69cm3/g，DP为10.7nm。该材料设计的关键特征包括高水平的3D排列、纳米尺寸的颗粒形态和靶向中孔表面结构中的均匀中孔分布，如通过分析TEM和SEM显微照片、XRD图案和N2等温线曲线所证明的（图1A和1B）。1-3）。沿着[3 1 1]方向记录立方Ia3d二氧化硅整料的TEM图像（图2A），并显示出沿着所有方向构型协调的良好限定和规则的中孔通道。图2A中的插图是相应的ED图案分析，其揭示了二氧化硅整料的有序立方Ia3d晶格对称性的形成与明确定义的XRD图案一致。二氧化硅整料的FE-SEM显微照片证明了二氧化硅整料的稳定形态A. Derbalah et al./Egyptian Journal of Basic and Applied Sciences 5（2018）145-150147≥图1.一、MSN抗真菌剂的SA-XRD（A）和N2等温（B）图图IA，立方Ia3d介观结构的衍射峰的归属。表面积（SBET）、孔径（Dp）和孔体积（Vp）的结构表面参数，分别为立方Ia3d介观结构。图3.第三章。MSN抗真菌剂的29Si NMR谱Q3和Q2的百分比表明立方Ia3d介观结构的表面亲水性，导致在生长抑制过程中与杀菌剂物种的强结合图二. MSN抗真菌剂的HR-TEM（A）和FE-SEM（B-D）显微照片。图1A，沿着立方Ia 3d介观结构的{3 1 1}带轴记录的选定区域的电子衍射。(C-D)立方Ia 3d介观结构的形态表面清楚地显示出大的微米空隙（1-4 μ m）的形成此外，还存在直径为20 - 150 μ m的大尺寸颗粒（图11）。 2 B-D）。值得注意的是，微米级颗粒中的整料所开发的MSN具有诸如3D立方Ia 3d结构，具有圆柱形和均匀的孔径，以及将单分散的介孔/大孔转化为超或微米尺寸的颗粒（150μ m）。这些特性可能增加了它作为一种潜在的抗真菌剂对番茄早疫病的防治效果 图图3显示了单片立方Ia 3d二氧化硅样品在-85、-98和-106ppm的化学位移（d）处的三个分辨信号。这些fea-通过光谱可以很容易地指定结构，以提供表面上硅烷醇基团的硅原子的去卷积，其分别被描述为（Q2）、（Q3）和（Q4）种类[26，27]。生长抑制A. 在实验室条件A.与未处理对照相比，不同浓度的MSN和Meta甲霜灵对茄病菌的生长有显著的抑制作用。 而A. solani在最高浓度（400 mg/L）下实现（表1和图2）。 4）。生长抑制程度与MSN和甲霜灵浓度水平呈正相关温室条件在两个生长季中，与未处理的对照相比，MSN和甲霜灵显著降低了番茄早疫病的严重程度（表2）。严重度降低的程度与测试材料的浓度水平呈正相关。第二个季节的严重程度降低高于第一个季节。对生长参数的通过与甲霜灵比较，评估了MSN对番茄植物生长性状的影响（表3）。测定的生长参数为株高、鲜重和干重。与对照相比，处理植株的番茄生长性状显著增加。番茄植株的鲜重和干重与MSN相比，在两个生长季节都增加了两倍以上。讨论早疫病是由番茄早疫病链格孢（Alternaria solani）引起的一种真菌病害，在世界范围内广泛发生于番茄上。这种真菌疾病通常是面临的最严重的番茄问题之一，如果不加以控制，早疫病可导致显著的产量降低[28]。因此，为获得高产优质番茄果实，148A. Derbalah et al./Egyptian Journal of Basic and Applied Sciences 5（2018）145-150表1不同浓度的MSN和甲霜灵对A. 索 拉 尼治疗浓度（mg/L）生长抑制百分比回归方程R2MSN10020Y = 0.185x +4 0.98200433006340075甲霜10035Y = 0.213x +17.5 0.975200643008540099甲霜MSN控制见图4。生长抑制A.与对照相比，在400 mg/L的浓度水平下的测试处理下的solani。病原体是必不可少的频繁使用杀菌剂防治早疫病造成了环境污染和对人类的有害影响[4，5，7]。除此之外，杀真菌剂的应用导致出现对杀真菌剂具有抗性的真菌菌株[8，9]。因此，新的安全有效的杀真菌剂替代品来控制植物病原体，如番茄早疫病，利用二氧化硅纳米颗粒作为抗微生物剂的概念相对较新[29]，因为焦点现在已经转向制造无毒、安全的纳米颗粒[30]。MSN对早疫病的潜在作用与许多研究报告一致，一些纳米颗粒如银和硒有效地控制了这种疾病[31，32]。MSN的高比表面积、独特的结构、圆柱形和均匀的孔径等物理特性和结构特征决定了其对A. 索 拉 尼任何防治剂的作用方式都是非常重要的，当我们面对其功效的一些缺陷时，有助于提高其功效。MSN对A.索拉尼至今仍不清楚，但有许多理论。如图5所示，MSN的杀真菌活性可能归因于蛋白质分子的失活或与病原体DNA的直接接触，并导致DNA突变和影响复制[33此外，MSN的抗真菌作用可以通过细胞壁的脂多糖与MSN中存在的表面羟基之间形成氢键而实现，因为其尺寸小，细胞壁容易分解[35]。然后，MSN在膜中的积累可以通过阻止跨膜能量循环或在真菌膜中形成不溶性化合物来诱导细胞裂解[36]，所述不溶性化合物破坏电子传递链或细胞膜的氧化，这是由于MSN的正电荷和细胞膜的负电荷，所述细胞膜的负电荷产生机器人和细胞之间的电磁吸引力，并立即死亡[37]。MSN的表面特征支持这一观点，因为带正电荷的MSN与真菌细胞表面上的蛋白巯基（-SH）相互作用，导致细胞裂解[38]。最后，MSN可能对A起作用。通过提高番茄植株的抗病性、生理特性以及植株吸收硅（Si）对番茄病害的自我防御能力，[39MSN的独特特征如489m2/g的高表面积（SBET）和10.7的小孔径（DP）预期将提高其表面形态参与细胞相互作用的重要性，即，与细胞接触的活性位点的数量，所述活性位点对早疫病真菌产生细胞毒性作用。此外，众所周知，较小的颗粒具有较大的可用于相互作用的表面积，并且将比较大的颗粒提供更多的抗微生物效果。植物病原体的任何管理策略都不应仅仅着眼于有效控制侵袭农作物的病原体还应考虑其对作物生长和产量性状记录到用MSN处理的番茄植物的生长参数显著增加，这与[43]的发现一致，[43]报道了施用控制剂抑制疾病发病率，并对植物生长和产量具有积极影响。这种增加可能是由于MSN和甲霜灵可以减少早疫病菌对番茄叶片绿色面积的影响;因此，减少了受损的绿叶面积，最终导致植物生长增加，因为叶片可以进行更多的光合作用[44]。此外，最重要的因素之一是在田间条件下可以使用的MSN的量及其适用性/应用性。表2MSN和甲霜灵处理对A. 在两个测试季节中番茄中的solani。治疗疾病严重程度1季季第2季节200（mg/L）400（mg/L）200（mg/L）400（mg/L）MSN甲霜36.0± 2.11 c16.00 ± 0.45 b16.00 ± 1.25 c8.00± 0.79b36.00 ± 1.2c16.00 ± 0.35 b20.00 ± 0.60c8.00± 0.45b控制68.00 ± 2.41 a65.00 ± 0.85a68.00 ± 0.56a64.00 ± 0.89 a每个值是五次重复的平均值。通过Tukey-Kramer HSD确定，在p = 0.05时，各处理列中的平均值± SE后接相同字母无显著差异。A. Derbalah et al./Egyptian Journal of Basic and Applied Sciences 5（2018）145-150149表3MSN和甲霜灵对处理后番茄植株生长参数的影响。抗其他植物病原体，因为真菌不太可能对这种物理机制产生遗传或生理抗性。此外，多个作用位点限制了正-治疗株高（厘米）鲜重/株（g）干重/株（g）真菌可能会对MSN产生抗药MSN 96.67 ± 2.88c 67.57 ± 0.30c 20.07 ± 0.15c甲霜灵85.00 ± 2.80b45.33 ± 0.10b 12.90 ± 0.15b对照组61.67 ± 5.00a 28.60 ± 0.10 a 4.97 ±0.10a每个值是四次重复的平均值如通过Tukey-Kramer HSD确定的，在p = 0.05时，每个处理的列中的平均值± SE后跟相同字母不具有显著差异图五. MSN抗真菌活性的各种机制（细胞膜相互作用、DNA损伤、细胞壁中的蛋白质相互作用、电子传递链中断）示意图能力未知。如果我们假设一英亩（4046.85 m2）需要100 L水，则MSN喷洒一英亩所需的量取决于我们的结果，可能是40 g。我们认为，该用量是可行的，与供试药剂用量（30 g/4046.85m2）相当，且经济有效。安全性被认为是任何用于防治农业害虫的药剂的关键因素之一。这些控制剂不应影响环境和公众健康。最近，在两项具有不同设计的二氧化硅纳米颗粒的研究中，已经发现在杀死细菌细胞而不损害人类细胞方面有效[45，46]。这证实了MSN对人体健康的安全性，其使用可以减少化学杀菌剂造成的危害。MSN对A. solani使它不特定于这种真菌只强烈支持使用MSN结论MSN有效地减轻了番茄早疫病的严重程度，并改善了番茄的生长性状。预计低浓度MSN纳米颗粒的应用将是生态友好的，并降低农场管理成本。MSN的简单合成是设计和合成具有强大抗真菌活性的其他金属氧化物的一种非常有前途的方法;可以用作化学杀真菌剂的安全替代品来控制番茄早疫病。引用[1] 辛格RS。蔬菜作物病害。新德里、孟买、加尔各答：牛津和IBH出版公司; 1985. p.346.[2] Mathur K，Shekhawat KS.番茄早疫病的化学防治。 印度真菌植物病理学杂 志1986;16：235-6.[3] Chandravanshi SS，Singh BP，Thakur MP.不同杀菌剂对番茄赤星病的持效性研究。印度植物病理学1994;47：241-4.[4] KookanaRS，Baskaran S，Naidu R. 澳大利亚土壤中与土壤和水污染和管理有关的农药归宿和行为：综述。 澳大利亚土壤研究杂志1998;36：715-64.[5] 放大图片作者：A.维多利亚水道中的农药残留：综述。AustJEcotoxicol 2007;13：91[6] 杨伟，王伟.气候变化、环境和生物方面。印度新德里：新印度出版社，2010年。[7] KomarekM，Cadkova E，Chrastny V，Bordas F，Bollinger JC. 杀菌剂对葡萄园土壤的污染：环境和毒理学方面的综述。Environ Inter2010;36：138-51.[8] PascheJS，Piche LM，Gudmestad NC. 番茄早疫病菌F129L突变对杀真菌剂影响线粒体呼吸的作用Plant Dis2005;89：269-78.[9] Abu-El Samen F，Goussous SG，Al-Shudifat A，Makhadmeh I.番茄早疫病菌对保护性杀菌剂敏感性降低及其在病害防治中的意义。植物病理学植物保护文献2016;49：120-36。[10] Mdee LK，Masoko P，Eloff JN.七种常见入侵植物提取物对植物病原真菌的活性。South Afri J Bot 2009;75：375-9.[11] Weiss J，Takhistov P，McClements DJ.食品纳米技术中的功能材料。食品科学杂志2006;71：107-16.[12] Nair R，Varghese SH，Nair BG，Maekawa T，Yoshida Y，Kumar DS. 向植物输送纳米颗粒材料。植物科学2010;179：154-63.[13] ThangamSR，Sujitha V，Vimala K，Kannan S. 基于酶靶向前药递送系统的配体偶联介孔二氧化硅纳米柱对肺癌的有效治疗。毒理学应用药理学2014;27：232-43。[14] Yuan Z，Xin Z，Jingwen Z，Guoqing P，Wangwang Q，Xiaohu W，et al. 通过双药物负载pH响应电纺纤维支架在肝细胞癌治疗中协同介导肿瘤信号传导途径。JMaterChem B 2015;17：3436-46.[15] 姚军，孙宁，邓春，张晓.设计合成石墨烯@二氧化钛@介孔二氧化硅杂化材料作为尺 寸 排 阻 金 属 氧 化 物 亲 和 色 谱 平 台 ， 用 于 选 择 性 富 集 内 源 性 磷 酸 肽 。Talanta2016;150：296-301.[16] Xie X ， Li F ， Zhang H ， Lu Y ， Lian S ， Lin H ， et al. 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