將植物病毒改造成益於作物生長的奈米級農業資材
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文章來源 : 農業科技決策資訊平台 2019-05-29
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。【延伸閱讀】磷酸鈣—植物防禦的外衣
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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