本网讯 近日，我校中药生态农业创新团队2022级硕士研究生陈红和2021级博士研究生李金鑫以蕲艾挥发油为原料，成功开发出安全环保的艾叶挥发油纳米乳除草剂剂型，研究成果发表于中科院环境科学与生态学1区Top期刊《Journal of Cleaner Production》（最新影响因子为11.1）。
从首次发现艾叶的化感抑草作用
到研发多个以艾叶为原料的中药源除草剂配方
发表高水平学术论文七篇
申请国家发明专利四项
走进中药生态农业创新团队
了解蕲艾除草剂的创新之路
起点——不期而遇的意外惊喜
“艾叶中药源除草剂来自于一个美好的意外。”李金鑫笑着说道。艾叶常被捶打制成艾绒后，来制作艾条，广泛应用于艾灸，这一过程中会产生大量的副产物“艾粉”。艾粉密度小、体积大，基本没有被行业开发利用。“艾粉如何综合开发利用”，成了李金鑫加入中药生态农业创新团队课题组的第一个研究课题。
因艾粉富含初生代谢产物和次生代谢产物，团队最初的想法是将它作为有机肥料，用于中药材生态种植。恰逢团队成员正在开展射干生态种植试验，李金鑫在射干试验地角落上选择一块地施用艾粉做肥料，“想着将其作为艾粉有机肥料应用的预备试验”。一个月以后，大家去射干试验地进行除草时，李金鑫惊奇地发现：未施用艾粉的地块长了大量杂草，而施用艾粉的地块杂草种类和生物量明显少很多！然而，因为这一现象与原先预备试验目的关联不大，并未引起同学们的重视。
一次团队组会时，李金鑫无意间提起此事，导师刘大会教授敏锐捕捉到这一信息，并第一时间到田间进行确认。“不能照本宣科地对实验提前设置好预期，有了新发现一定要去研究和解释，这也许会变成为一个很有意义的课题。”老师的启发激起了李金鑫的兴趣。他大量查阅文献后发现，植物的化感作用或许是这一现象的“幕后推手”。
艾粉的化感抑草活性（图左为未施艾粉土地，图右为施撒艾粉土地）
发展——挫折往往是转折
我国古代已有“化感抑草作用”的生产应用记载。北宋苏轼在《物类相感志》载：“芝麻骨插竹园四周，竹不沿出”，明朝邝蟠曰：“凡开垦荒地，烧去野草，犁过，先种芝麻一年，使草木之根败烂后种谷，则无荒草之害。盖芝麻之于草木，若锝之于五金，性相制也，务农者不可不知”，其表明芝麻秆中化感物质能抑制竹子根茎生长，把芝麻作为开荒先锋作物种于新垦荒地上，其分泌化感物质可有效防控草荒。近年来，国内学者福建农林大学林文雄团队和中国农业大学孔垂华团队等也系统开展了水稻、小麦化感抑草研究工作。基于此，团队确立了以艾粉水提取物为对象开展化感抑草作用及其作用机制解析的研究思路。
“化感抑草作用”概念相对新颖，研究和交流过程中，团队经常会碰到各式各样的提问，“艾粉水提物抑草效果有多强、具备成为除草剂应用的潜力吗”“水提物中的什么成分在发挥抑草活性”“施用艾粉会对田间作物造成伤害吗”。这些问题，也启发着同学们不断充实和细化研究路线。
围绕艾粉化感抑草生物效应的强度测试、施用方式的探索、除草活性的生理机制和分子机制解析、田间安全性评价等多个角度，李金鑫与团队2019级硕士研究生陈乐花了三年时间回答上述问题，确证了艾粉水提物有极强的抑草活性和开发为中药源除草剂的潜力，阐明了艾粉水提物抑草作用生理和分子机制，研究结果先后发表于《Scientific reports》《BMC Plant Biology》杂志。
艾粉具有广谱的抑草活性
艾叶水提物化感抑草作用机制解析
彼时，团队植物化学研究经验尚少，实验条件和知识储备不足以支撑研究持续推进。“不懂就问、不会就学、没有条件创造条件。”刘大会教授作为团队的“大家长”，不仅给予大家鼓励，还安排团队学生先后到山东省科学院分析测试中心、中南民族大学进行交流学习，建设团队植物化学实验室，最终完成了以活性为导向的分离筛选，确证了艾叶水提物发挥抑草活性的关键成分为异绿原酸A，明确了其作用机制，成为系统解析艾叶化感作用的重要一环。
团队成功解析和分离艾水提物中的关键除草活性物质
实验室条件下提取的艾叶水提物与自然界艾植物自身分泌的物质存在差异。如何证明艾是在自然界中通过分泌异绿原酸A发挥化感作用？“从实践中来、到实践中去”，刘大会教授鼓励同学们回到田间地头寻找答案，观察艾植株相关次生代谢成分在环境土壤中真实的释放情况。经过测定，团队发现在艾叶生长的田间土壤中含有异绿原酸A等多种抑草活性物，完整的补充了艾叶水提物化感抑草作用的证据链，相关研究成果迅速涌现。团队研究生在《Journal of agricultural and food chemistry》和《Frontiers in Plant Science》发表2篇论文，申请并授权“一种以艾粉为原料的天然抑草剂及其制备方法”等专利。
李金鑫在2023年国际产学研用合作会议中交流艾粉在生态种植中应用的最新进展
更迭——兴趣是最好的老师
2021年，获得保研资格的药学院中药学专业本科生陈红加入了中药生态农业创新团队，与李金鑫共同开展中药源除草剂研究。面对相对成熟的化感抑草作用研究体系和研究模型，对药用植物有着极大兴趣的陈红提出了疑问：“艾叶作为芳香族的植物，挥发油是其一大类重要的活性成分，为什么我们只关注艾叶水提物而不关注一下挥发油？”这也让李金鑫恍然大悟：原来文献中大量论证开发水提物的化感活性，是因为绝大多数植物不是芳香族植物，没有挥发油组份。而此前艾叶挥发油研究一般聚焦其临床抗菌活性，导致团队研究初期忽视了其挥发油组分的植物生态学效应。
经实验检测，采用艾叶挥发油直接喷施杂草后除草效果显著，杂草在数小时内迅速白化死亡。在此基础上，团队提出艾叶多种组分发挥化感抑草、除草效应的联合作用：水提物中的酚酸类组分主要抑制杂草种子的萌发，发挥抑草作用，可作为封闭型除草剂使用；挥发油可直接杀灭杂草植株，发挥触杀除草作用，可作为触杀型除草剂使用。研究结果发表在《Industrial Crops & Products》杂志上。
挥发油除草活性的发现与验证
与此同时，团队成员接力克服挥发油不稳定、不溶于水、容易分解等问题，成功制备出了艾叶挥发油纳米乳除草剂，实现了挥发油除草的稳定和增效，推动艾叶中药源除草剂开发研究的顺利迭代，研究进展最终在中科院环境科学与生态学1区Top期刊《Journal of Cleaner Production》上发表，受到广泛关注。
“除草剂的制备包括众多环节和步骤。团队分工合作、优化各自环节，最终推动剂型实现质的飞跃。”团队研究生蔡惠霞主要负责艾叶除草活性种质资源筛选。在刘大会教授的带领下，她对团队在全国收集的两百余份艾叶资源进行了挥发油提取，并采用种子发芽模型对每份资源逐一进行除草活性筛选，最终筛选出了一批具有高效除草活性的高效种质。相较于普通挥发油，高效种质挥发油除草活性可提高五倍左右，为进一步发掘艾叶挥发油中除草活性化合物、解析其除草作用机制打下基础。“刘老师鼓励我们在实践中发现问题，想办法解决问题，有一种满满的获得感和幸福感”，蔡惠霞说。
团队收集的艾种质资源并进行高除草活性资源筛选
目前，团队正围绕艾叶中药源除草剂的增效降本，进一步发掘艾叶挥发油有效除草作用部位和作用靶点，进行除草化合物结构修饰，并研发具有抑草活性的水溶性部位和具有除草活性的挥发油部位的联合制剂剂型和响应外界环境缓释制剂剂型等，加快推动中药源除草剂在农业上大规模应用，从而有效缓解农业生产上大规模使用化学除草剂带来的环境污染问题。
把论文写在祖国的大地上
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（图片来源：中药生态农业创新团队）
