《BMC Plant Biology》：Nanotechnology-based formulations of thyme essential oil to enhance its herbicidal efficiency for controlling weeds associated with maize plants
编辑推荐：
摘要
背景：百里香（Thymus vulgaris L.）是一种富含生物活性化合物的芳香植物，具有环境友好的除草潜力。尽管百里香精油（EO）具有除草潜力，但其在实际田间条件下的效果受到高挥发性、水溶性差以及易受环境降解等因素的限制。纳米制剂（Na
摘要
背景：百里香（Thymus vulgaris L.）是一种富含生物活性化合物的芳香植物，具有环境友好的除草潜力。尽管百里香精油（EO）具有除草潜力，但其在实际田间条件下的效果受到高挥发性、水溶性差以及易受环境降解等因素的限制。纳米制剂（Nanoformulations）能够通过增强稳定性、分散性、生物利用度并延长除草活性来克服这些挑战。因此，本研究旨在评估并比较百里香水提物和精油的除草效果。一个初步的盆栽实验测试了不同浓度的百里香水提物（0、10、20和30% w/v）和精油（0、3、6和9% v/v）。基于这些结果，在两个连续的夏季进行了两次后续的盆栽实验，使用较低浓度（0、2、4和6% v/v）的粗制百里香精油、其纳米乳（Nanoemulsion, NE）以及β-环糊精（β-CD）纳米包合物制剂。实验包括了健康的无杂草玉米植株和未除草对照组作为比较。
结果：初步实验表明，在杂草控制方面，精油比水提物更高效，其中9%的精油实现了完全抑制，同时对玉米植株产生了刺激性响应（干生物量为11.4克），但这种刺激性响应低于6%和3%的浓度处理（干生物量分别为11.9克和11.5克）。在主要实验中，在播种后90天（DAS），纳米乳百里香精油（NE-Th oil）在6%和4%浓度下对稗草（Echinochloa crus-galli）干重的抑制率最高，分别达到83.48%和81.72%；对马齿苋（Portulaca oleracea）的抑制率分别为89.27%和82.41%。对于同一时间点的玉米植株，NE-Th油在6%和4%浓度下表现出最佳效果，其干重（分别为50.83克和45.48克）显著超过未除草对照组。这些结果表明，纳米制剂不仅增强了杂草抑制效果，还在杂草胁迫竞争下改善了作物表现。
结论：纳米乳和β-环糊精包合物制剂均增强了百里香精油的稳定性和除草效率。因此，浓度为4%和6%的纳米乳化百里香精油在有效除草和促进玉米生长之间实现了最佳平衡。
本研究的核心内容是探讨利用纳米技术提升百里香精油（EO）作为生物除草剂的应用效果，以解决其固有的物理化学缺陷，并优化其在玉米田间伴生杂草管理中的应用策略。研究背景源于全球粮食安全对玉米生产的重大需求，而杂草竞争是限制其产量与品质的主要因素之一。传统合成除草剂的过度使用带来了环境污染、非靶标毒性及抗性杂草演化等系列问题，迫使农业向更可持续的杂草管理方案转变。芳香植物精油因其复杂的次生代谢产物混合物而被视为有潜力的生物除草剂，其中百里香精油富含百里酚（thymol）、香芹酚（carvacrol）等萜烯类化合物，已被证明对多种杂草具有显著的植物毒性。然而，精油的高挥发性、低水溶性和环境不稳定性严重制约了其在田间的直接应用效果。针对这一瓶颈，研究人员引入了纳米技术，旨在通过制备纳米乳和β-环糊精包合物这两种纳米递送系统，来改善精油的稳定性、水分散性和生物利用度，从而潜在地提高其除草效能和持效性。
为系统比较不同剂型的效果，研究人员开展了系列温室盆栽实验。首先进行了一项初步筛选实验，对比了百里香水提物与精油在不同浓度下的除草效果。随后，在两个连续的夏季，主要研究对比了粗制百里香精油、其纳米乳（NE-Th油）以及β-环糊精纳米包合物（β-CD-Th油）在2%、4%和6%（v/v）三个浓度下，对玉米伴生杂草稗草和马齿苋的抑制效果，以及对玉米植株生长、光合色素、可溶性糖和酚类化合物含量的影响。研究得出的核心结论是：与粗制精油相比，纳米乳和β-环糊精包合物制剂显著提升了百里香精油的稳定性、除草效率和作物安全性。具体而言，浓度为4%和6%的纳米乳化百里香精油在有效控制杂草生物量的同时，最能促进玉米的生长表现，在除草效果与作物增产之间取得了最佳平衡。这一发现为开发基于百里香精油的、环境友好的新型生物除草剂提供了重要的科学依据和实践方案，对推动绿色农业和可持续杂草管理具有重要意义。该论文发表于《BMC Plant Biology》。
为开展本研究，作者采用了以下几项主要关键技术方法：首先，通过水蒸气蒸馏法提取百里香精油，并利用气相色谱-质谱联用技术（GC-MS）对其成分进行分析鉴定。其次，制备了两种纳米制剂：采用表面活性剂复合法（Span 80/Tween 80）制备百里香精油纳米乳（NE-Th油）；通过共沉淀法制备β-环糊精（β-CD）与百里香精油的包合物（β-CD-Th油）。再次，对纳米制剂进行了全面的物理化学表征，包括使用动态光散射（DLS）技术测定粒径大小及多分散性指数（PDI），测量Zeta电位评估胶体稳定性，并通过一系列加速应力测试（如离心、冻融循环、加热-冷却循环）来评估其储存稳定性。最后，设计了温室盆栽实验（包括初步筛选实验和两季的主要实验），在模拟田间条件下，系统评估了不同浓度的粗制精油及其纳米制剂对杂草抑制和玉米生长的多重影响。
研究结果部分，首先通过GC-MS分析明确了百里香精油的化学成分，其主要成分为单萜类化合物，其中百里酚（thymol）含量最高（31.79%），其次是γ-松油烯（γ-terpinene）和对伞花烃（p-cymene）。对纳米制剂的表征结果显示，纳米乳的平均粒径为260纳米，PDI为0.245，Zeta电位为-14.51毫伏；而β-环糊精包合物的平均粒径更小（123.8纳米），PDI更低（0.182），Zeta电位更高（+22.13毫伏），表明其具有更均匀的粒径分布和更强的静电斥力稳定性。加速应力测试证实，2%和3% Span稳定的纳米乳以及所有β-环糊精包合物制剂均表现出优异的动力学稳定性。
在初步盆栽实验中，百里香精油在抑制杂草方面显著优于水提物。9%浓度的精油能完全抑制杂草，但较高浓度（9%）对玉米生长的刺激作用低于中等浓度（3%和6%）。在主要盆栽实验中，在播种后45天（营养生长期）和90天（花期后期）两个时间点，所有浓度的精油及其纳米制剂均能显著降低稗草和马齿苋的生物量。结果显示，纳米乳（NE-Th油）和β-环糊精包合物（β-CD-Th油）制剂在除草效果和作物安全性上均显著优于未修饰的粗制精油。在播种后90天，NE-Th油在6%和4%浓度下对稗草的干重抑制率最高（分别为83.48%和81.72%），对马齿苋的抑制率同样最佳（分别为89.27%和82.41%）。对于玉米生长参数，所有百里香处理均能缓解杂草竞争带来的生长抑制。在播种后90天，NE-Th油在6%浓度下对玉米干重（50.83克）的促进效果最佳，其次是β-CD-Th油在4%浓度和NE-Th油在4%浓度下的处理。此外，纳米制剂处理还显著提高了玉米叶片的光合色素（叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素）含量、总可溶性糖（TSS）和总酚类化合物（TPC）含量，尤其在播种后90天，NE-Th油处理组的这些生理生化指标常常超过健康无杂草对照组。
讨论部分总结了研究发现的机制和意义。研究人员认为，百里香精油的除草活性主要归因于其富含的萜烯类化合物（如百里酚和香芹酚），这些亲脂性物质能够破坏杂草细胞膜的完整性，诱导细胞死亡。精油的直接应用受限于其理化性质，而纳米制剂通过显著减小液滴尺寸、增大表面积、提高润湿性和稳定性，有效克服了这些缺点，增强了精油与植物组织的相互作用和在较低浓度下的除草效果。纳米乳的稳定性主要依靠表面活性剂提供的空间位阻，而β-环糊精包合物则通过将疏水性精油分子包裹在亲水性外壳内，实现了固态化、水分散性和缓慢释放，两者均能保护活性成分免受挥发和降解。稳定性测试结果与Zeta电位测量高度相关，较高的Zeta电位绝对值（如β-CD-Th油的+22.13毫伏）对应着更强的抗絮凝能力和更高的稳定性。纳米制剂处理对玉米生长的促进作用，既源于其有效降低了杂草的竞争压力，也可能源于低浓度植物次生代谢物对作物有益代谢途径的激发效应，如增强光合作用和抗氧化防御。
研究结论部分明确指出：纳米乳和β-环糊精包合物两种制剂均成功改善了百里香精油的稳定性、递送效率和除草活性。其中，浓度为4%和6%的纳米乳化百里香精油（NE-Th油）实现了在有效控制杂草与促进玉米生长之间的最佳平衡。这些发现凸显了一种实用且环境友好的策略，可用于可持续杂草管理，在减少对合成除草剂依赖的同时，能够维持并提升作物生产力。
