Науковці розробили антибактеріальний спрей для рослин, який захищає від хвороб та посухи

Сьогодні, 19:00

Фото: AgroPages

Бактерії вводять у лист Nicotiana benthamiana для перевірки ефективності полімерного покриття

Інженери Каліфорнійського університету в Сан-Дієго розробили полімерне покриття, що наноситься розпиленням, яке може допомогти рослинам протистояти шкідливим бактеріальним інфекціям та пережити посуху. Досягнення, опубліковане в ACS Materials Letters, може допомогти зміцнити глобальну продовольчу безпеку, оскільки посилення екологічних стресів продовжує посилювати тиск хвороб рослин.

Повідомляє University of California San Diego.

Бактеріальні інфекції становлять зростаючу загрозу для сільського господарства, оскільки вони сприяють значним втратам врожаю в усьому світі. Ці інфекції, спричинені як грамнегативними, так і грампозитивними бактеріями, викликають руйнівні хвороби рослин, такі як в'янення, фітофтороз, плямистість та рак. Підвищення температури також дозволяє патогенам поширюватися в нові регіони. В результаті, сільськогосподарські культури все частіше піддаються впливу різноманітних інфекцій.

Щоб вирішити цю проблему, дослідники з лабораторій Джона Покорського та Ніколь Штайнмец, обох професорів кафедри хімічної та наноінженерії родини Айсо Юйфенг Лі в Інженерній школі Джейкобса Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, та членів Науково-технічного центру досліджень матеріалів Каліфорнійського університету в Сан-Дієго (MRSEC), об'єднали зусилля для розробки антибактеріального покриття, яке можна розпилювати безпосередньо на листя рослин.

Покриття виготовлене зі спеціально розробленого синтетичного полімеру, що містить у своїй структурі позитивно заряджені хімічні групи, що мають антибактеріальні властивості. Ці позитивно заряджені групи руйнують мембрани бактеріальних клітин, що робить їх ефективними проти широкого спектру шкідливих мікробів.

Створення розпилювального покриття — і його безпечність для рослин — стало можливим завдяки модифікації поширеного методу синтезу полімерів для роботи в щадних умовах на водній основі.

«Зазвичай полімери синтезуються з використанням органічних розчинників, токсичних для рослин. Що ми зробили тут по-іншому, так це те, що ми створили полімер у буферних умовах у воді. Це дозволило нам створити спрей, який є більш біосумісним з рослинами. Ми можемо легко розчинити полімер до потрібної концентрації у воді та просто розпорошити його», — сказав співавтор дослідження Луїс Паломіно, кандидат наук з хімії та наноінженерії в лабораторії Покорського.

Використовуючи цей модифікований метод, дослідники створили тип полімерного матеріалу, який називається полінорборнен, проникний для газів. Ця особливість важлива для того, щоб листя рослин могло продовжувати дихати та нормально рости.

Покриття було розпорошено на листя Nicotiana benthamiana, поширеної моделі рослини, що використовується в лабораторних випробуваннях та молекулярному фермерстві рослин, яке полягає у виробництві високоцінних молекул у рослинах. Воно захищало живі рослини від інфекції Agrobacterium. Під час тестування на окремих листках у чашках Петрі покриття пригнічувало ріст як грамнегативних, так і грампозитивних бактерій, таких як Escherichia coli та Staphylococcus aureus.

«Несподіваним відкриттям стало те, що повне покриття листя не було необхідним для досягнення захисту. Ми можемо обприскати лише невелику частину листка, і це призводить до бактеріального імунітету для всієї рослини. Це був справді крутий результат», — сказав співавтор дослідження Патрік Опденштейнен, постдокторант у лабораторії Штайнмеца.

Дослідники вважають, що цей захист усієї рослини може бути пов'язаний із системною стресовою реакцією. Оброблене листя ненадовго показало незначне збільшення перекису водню, який служить природною сигнальною молекулою, яку рослини виробляють, реагуючи на стрес. Ця реакція з часом зменшилася, і рослини залишалися здоровими протягом усього дослідження. Дослідники висувають гіпотезу, що цей короткочасний стресовий сигнал може активувати ширшу захисну реакцію по всій рослині.

Ще одним результатом було те, що покриті рослини також продемонстрували покращену посухостійкість. Коли воду не обприскували протягом чотирьох днів, обприскані рослини залишалися здоровішими та менше в'яли, ніж необроблені. Дослідники висувають гіпотезу, що полімерне покриття може діяти як фізичний бар'єр для зменшення втрати води, а також індукувати механізми стресової реакції на молекулярному рівні, що підвищують стійкість до посухи.

Поточна робота дозволить глибше дослідити механізми, що лежать в основі стійкості як усієї рослини до бактерій, так і посухи. Команда також зосередиться на покращенні біорозкладності та оцінці токсичності для майбутнього впровадження в польових умовах.

«Ми сподіваємося використати це в польових умовах на користь сільського господарства, і це перший крок. Існує великий потенціал для захисту рослин», — сказав Опденштейнен.