Nanokompozyty uderzą w fitopatogeny

Na świecie od dawna panuje boom na produkty ekologiczne, które muszą spełniać określone kryteria, w tym być przyjazne dla środowiska. A jak osiągnąć pożądaną czystość, skoro prawie wszystkie uprawy są podatne na choroby wywoływane przez drobnoustroje? Nie jest łatwo rozwiązać taki problem bez „chemii”. Dlatego naukowcy zastanawiają się, jak sprawić, by chemikalia były jak najbardziej nieszkodliwe dla roślin i zdrowia ludzi. Alla PERFILYEVA, starszy pracownik naukowy Laboratorium Interakcji Roślina-Drobnoustroje Syberyjskiego Instytutu Fizjologii i Biochemii Roślin Syberyjskiego Oddziału Rosyjskiej Akademii Nauk, Kandydat Nauk Biologicznych, podjęła się rozwiązania tego problemu wraz ze swoim zespołem naukowym . Temat badawczy „Ulepszanie roślin rolniczych przed fitopatogenami bakteryjnymi i grzybiczymi z wykorzystaniem nanokompozytów selenu otrzymywanych w drodze syntezy chemicznej i mikrobiologicznej” został sfinansowany z grantu Prezydenta Federacji Rosyjskiej.

• Fitopatogenne drobnoustroje są czynnikami sprawczymi chorób roślin uprawnych, mówi Alla. Mogą występować w postaci wirusów, bakterii lub grzybów. Ze względu na globalne zmiany klimatu zasięg wielu drobnoustrojów chorobotwórczych poszerza się, w tym rozprzestrzenia się na nowe terytoria. Patogeny prowadzą do klęski materiału sadzeniowego – gnicia cebul, bulw roślin. W efekcie wzrost rośliny spowalnia w okresie wegetacji: zmniejsza się jej wielkość jako całość lub jej organy – liście stają się mniejsze, system korzeniowy słabo się rozwija. Zmiany pigmentacyjne: następuje żółknięcie, narządy stają się bladozielone. Liście i łodygi więdną, przypadki całkowitej śmierci roślin nie należą do rzadkości. Wszystko to oczywiście negatywnie wpływa na plony.

- Jak sobie z tym poradzić?

– W celu stłumienia mikroorganizmów fitopatogennych stosuje się toksyczne pestycydy. Działają jednak przeciw grzybom i są nieskuteczne wobec bakterii. Ale bez wątpienia takie środki są potrzebne.

• Okazuje się, że bakterie fitopatogenne niszczą wszystko i nic nie da się z tym zrobić?
• Niszczenie wszystkiego przez fitopatogeny jest nieopłacalne, ponieważ potrzebują bazy pokarmowej. Jeśli całkowicie wytępią rośliny żywicielskie, po prostu nie będą miały gdzie mieszkać ani co jeść. Dlatego fitopatogeny hamują rośliny stopniowo.

Na rozwój chorób mają wpływ warunki pogodowe, czasem okazują się one sprzyjać człowiekowi, a nie patogenom. Na przykład różne zgnilizny, w tym zaraza, rozwijają się bardziej aktywnie w zimne i deszczowe lata, a sucha i gorąca pogoda jest dla nich niekorzystna. Niekiedy straty w plonach są znaczne i sięgają 40-70%. Należy wziąć pod uwagę fakt, że fitopatogeny nigdy nie działają w pojedynkę. Z reguły istnieje złożony wpływ grzybów i bakterii na rośliny. W efekcie jedna infekcja (często grzybicza) osłabia organizm rośliny, a pozostałe fitopatogeny atakują później.

• Okazuje się, że niektórych upraw nie powinno się w ogóle uprawiać – czy bakterie i tak je zjedzą?
• W wyniku wieloletniej selekcji osoba wyselekcjonowała najbardziej odporne odmiany uprawianych roślin. Jednak ewolucja fitopatogenów przebiega równolegle z ewolucją roślin żywicielskich – one też stają się bardziej wytrwałe.

– Jakie leki są obecnie opracowywane w celu rozwiązania problemu?

• Mikroorganizmy fitopatogenne są bardzo odporne na czynniki środowiskowe, ponieważ są w stanie spędzić część swojego życia poza organizmem rośliny żywicielskiej, przebywając w glebie. Dlatego nie wszystkie substancje mogą wpływać na ich żywotność. Wiem to z własnego doświadczenia testującego różne chemikalia.

– Dlaczego zdecydowałeś się wypróbować nanokompozyty selenu?

Selen jest niezbędnym mikroelementem dla wszystkich żywych organizmów. Wchodzi w skład enzymów niezbędnych komórce, ma wysoką aktywność biologiczną i działanie antyoksydacyjne. Jednak jego zawartość w glebie na całym świecie jest niewystarczająca.

W składzie nanokompozytów selen występuje w postaci nanocząstek. Nie mają ładunku, ich rozmiar wynosi do 100 nanometrów. W porównaniu z konwencjonalnymi związkami pierwiastków chemicznych, nanocząsteczki muszą być spożywane w mniejszych ilościach. W dużych ilościach działają toksycznie.

Podczas tworzenia nanokompozytów nanocząsteczki są gęsto upakowane wewnątrz dużej cząsteczki (matrycy). Jest to naturalny polimer, np. skrobia pozyskiwana z ziemniaków, czy karagen, stosowany jako zagęszczacz dla przemysłu spożywczego, czy arabinogalaktan, polisacharyd wyizolowany z modrzewia syberyjskiego, a także substancje humusowe. Nanocząstki nie znajdują się na powierzchni nanokompozytu, ale wewnątrz, dlatego nie mogą wchodzić w reakcje chemiczne.

Jak niszczy się bakterie?

– Naturalne polimery są atrakcyjnym pokarmem dla bakterii chorobotwórczych. Wydzielają na zewnątrz specjalne substancje – egzoenzymy, które poza komórką bakteryjną potrafią rozkładać duże cząsteczki na mniejsze – oligomery i monomery. Żywią się nimi bakterie. Gdy matryca nanokompozytu jest rozszczepiana przez egzoenzymy, uwalniane są nanocząsteczki selenu.

Przyczepiają się do powierzchni komórki bakteryjnej i działają na potencjał błony, czyli ładunek na powierzchni komórki. W rezultacie płyn z otoczenia zaczyna aktywnie przedostawać się do komórki bakteryjnej, co prowadzi do pęknięcia bakterii.

Jednocześnie zarówno nanocząsteczki jak i matryce selenu nie mają negatywnego wpływu na rośliny. Ponadto przebadaliśmy szereg substancji – nanokompozytów selenu w różnych naturalnych matrycach polimerowych – i stwierdziliśmy, że stymulują one nawet wzrost i rozwój roślin, zwiększają ich odporność na fitopatogeny in vitro, czyli „w probówce”, a produktywność w warunki terenowe. eksperyment.

Jednocześnie selen nie kumuluje się w tkankach roślin po ich obróbce i nie wpływa szkodliwie na mikroorganizmy glebowe, co wskazuje na bezpieczeństwo stosowania nanokompozytów. Ponadto wzbogacają odżywienie mineralne roślin, zwiększają ich odporność na choroby. Okazuje się zatem, że nanokompozyty selenowe niszczą mikroorganizmy fitopatogenne, a ponadto działają stymulująco na wzrost roślin bez szkody dla środowiska.

• Jak długo pracujesz nad tym tematem? Jakie inne wyniki uzyskałeś?

– Badania nad aktywnością biologiczną nanokompozytów zacząłem zaraz po obronie doktoratu. praca doktorska w 2013 r. Nanokompozyty selenowe są syntetyzowane przez grupę naukową Borysa Suchowa w Instytucie Kinetyki i Spalania Oddziału Syberyjskiego Rosyjskiej Akademii Nauk. VV Voevodsky w Nowosybirsku. W naszym Instytucie ja i moi współpracownicy zajmujemy się nanokompozytami: Irina Graskova, główny badacz Laboratorium Oddziałań Roślina-Mikrobiologia, doktor biologii, Olga Nozhkina i Anastasia Gazizova, wiodący inżynier, a także studenci Wydziału Biologii i Gleboznawstwa Irkuckiego Uniwersytetu Państwowego, którzy pod moim kierunkiem prowadzą badania do swoich prac semestralnych i rozpraw.

Zbadaliśmy wpływ szeregu nanokompozytów zawierających selen w matrycach na kiełkowanie rzodkiewki, soi i ziemniaków. Stwierdzono, że w niektórych przypadkach stymulują one wzrost. Przez trzy lata, od 2020 do 2022 roku, w trakcie doświadczeń polowych badaliśmy wpływ nanokompozytów selenu na produktywność ziemniaka i stwierdziliśmy, że zwiększają one liczbę bulw uzyskiwanych z każdej rośliny.

Ponadto odkryliśmy szkodliwy wpływ nanokompozytów selenu na bakterię bakteriozy pierścieniowej ziemniaka, Clavibactersepedonicus oraz patogen zarazy Phytophthora cactorum, który poraża szeroką gamę upraw, od jabłoni po kwiaty.

Zaraza ziemniaczana to choroba roślin, w której obserwuje się żółknięcie i więdnięcie liści, gnicie owoców na winorośli, a nawet całkowitą śmierć rośliny. Często spotykane u przedstawicieli rodziny psiankowatych – są to pomidory i ziemniaki. Obecnie badamy, w jaki sposób przedplantowe traktowanie bulw ziemniaka nanokompozytami selenowymi wpływa na skład mikrobiologiczny (mikrobiom) bulw z uprawy ziemniaka.

Od 10 lat badamy szereg nanokompozytów opartych na nanocząstkach metali – srebra, miedzi, manganu, żelaza, a także różnych ich kombinacji. Uzyskano nowe interesujące dane, według których niektóre nanokompozyty wykazują bardzo wysoką aktywność biologiczną: stymulują wzrost i rozwój roślin oraz wykazują silne działanie antybakteryjne. Złożyliśmy już wniosek patentowy dotyczący rejestracji aktywności biologicznej nanokompozytów manganu.

– Jak duży będzie popyt na wyniki Twoich badań?

– Obecnie aktywnie dyskutuje się o wykorzystaniu nanotechnologii w różnych sferach gospodarki narodowej. W medycynie i weterynarii nanocząsteczki są już szeroko stosowane w leczeniu raka oraz jako przeciwutleniacze. Zastosowanie nanotechnologii w agrochemii jest obiecujące ze względu na małą skalę wykorzystania substancji zawierających nanocząsteczki. Jednocześnie koszty są porównywalne z konwencjonalnymi środkami dezynfekującymi, a efekt zastosowania nanocząstek jest znacznie wyższy. Ze względu na to, że gleba jest uboga w selen, rośliny potrzebują odpowiednich nawozów mineralnych. Jednak większość z nich nie rozpuszcza się całkowicie w wilgoci glebowej i jest wchłaniana przez rośliny. Dlatego potrzeba traktowania materiału sadzeniowego nanokompozytami selenowymi jest oczywista.

Ponadto nadal nie ma wystarczającej podstawowej wiedzy na temat wpływu nanocząstek na organizmy roślinne, mikroorganizmy fitopatogenne i relacje między roślinami a mikroorganizmami. Nasze badania wypełniają te luki. Przeprowadziliśmy już dużą liczbę badań laboratoryjnych i eksperymentów terenowych, które dały nam dość głębokie zrozumienie problemu. Aby wykorzystać tę wiedzę w praktyce, potrzebna jest aprobata w firmie rolniczej. To też zrobimy, ale później. Taka praca wymaga znacznie większych objętości nanokompozytów niż do badań laboratoryjnych. To jest zadanie chemików syntetycznych.