Нанакампазіты будуць біць па фитопатогенам

У свеце даўно пачаўся бум на арганічныя прадукты, якія павінны адпавядаць некаторым крытэрыям, у тым ліку быць экалагічна чыстымі. А як дамагчыся жаданай чысціні, калі практычна ўсе культуры схільныя да хвароб, выкліканых мікробамі? Без «хіміі» такую ​​праблему вырашыць няпроста. Таму навукоўцы думаюць, як зрабіць хімікаты максімальна бясшкоднымі для раслін і здароўя чалавека. Разам са сваім навуковым калектывам рашэннем гэтай праблемы занялася старшы навуковы супрацоўнік лабараторыі раслінна-мікробных узаемадзеянняў Сібірскага інстытута фізіялогіі і біяхіміі раслін Сібірскага аддзялення РАН, кандыдат біялагічных навук Ала ПЕРФИЛЬЕВА. . Навукова-даследчая тэма «Ачышчэнне сельскагаспадарчых раслін ад бактэрыяльных і грыбных фітапатагенаў з выкарыстаннем нанакампазітаў селену, атрыманых метадамі хімічнага і мікрабіялагічнага сінтэзу» падтрымана грантам Прэзідэнта Расійскай Федэрацыі.

• Узбуджальнікам хвароб культурных раслін з’яўляюцца фітапатагенныя мікробы, — расказвае Ала. Яны могуць быць у выглядзе вірусаў, бактэрый або грыбкоў. У сувязі з глабальным змяненнем клімату арэал многіх патагенных мікробаў пашыраецца, у тым ліку распаўсюджваецца на новыя тэрыторыі. Ўзбуджальнікі прыводзяць да паразы пасадачнага матэрыялу – загніванне цыбулін, клубняў раслін. У выніку ў вегетацыйны перыяд запавольваецца рост расліны: памяншаюцца яго памеры ў цэлым або органы – драбнеюць лісце, дрэнна развіваецца каранёвая сістэма. Змяняецца пігментацыя: узнікае пожелтенія, органы становяцца бледна-зялёнымі. Лісце і сцеблы марнеюць, нярэдкія выпадкі поўнай гібелі раслін. Усё гэта, вядома, негатыўна адбіваецца на ўраджаі.

– Як з гэтым змагацца?

– Для падаўлення фітапатагенных мікраарганізмаў выкарыстоўваюцца таксічныя пестыцыды. Аднак яны дзейнічаюць супраць грыбкоў і неэфектыўныя супраць бактэрый. Але такія сродкі, несумненна, патрэбныя.

• Атрымліваецца, фітапатагенныя бактэрыі знішчаюць усё і нічога з гэтым не паробіш?
• Фітапатагенам нявыгадна ўсё знішчаць, бо ім патрэбна харчовая база. Калі яны цалкам знішчаць расліны-гаспадары, то ім проста не будзе дзе жыць і няма чаго есці. Такім чынам, фитопатогены душаць расліны паступова.

На развіццё хвароб ўплываюць ўмовы надвор'я, часам яны аказваюцца на карысць чалавека, а не ўзбуджальнікаў. Напрыклад, розныя гнілі, у тым ліку фітафтороз, больш актыўна развіваюцца халодным і дажджлівым летам, а сухое і гарачае надвор'е для іх неспрыяльная. Часам страты ўраджаю значныя і складаюць 40-70%. Трэба ўлічваць той факт, што фитопатогены ніколі не дзейнічаюць паасобку. Як правіла, адбываецца комплекснае ўздзеянне грыбоў і бактэрый на расліны. У выніку адна інфекцыя (часцей грыбы) аслабляе раслінны арганізм, а астатнія фитопатогены атакуюць пазней.

• Аказваецца, некаторыя культуры наогул не варта вырошчваць – бактэрыі іх усё роўна з'ядуць?
• У выніку працяглай селекцыі чалавек адабраў найбольш устойлівыя гатункі культурных раслін. Аднак эвалюцыя фітапатагенаў ідзе паралельна з эвалюцыяй раслін-гаспадароў – яны таксама становяцца больш жывучымі.

– Якія прэпараты цяпер распрацоўваюцца для вырашэння праблемы?

• Фитопатогенные мікраарганізмы вельмі ўстойлівыя да фактараў навакольнага асяроддзя, так як здольныя частку свайго жыцця праводзіць па-за расліннага арганізма-гаспадара, знаходзячыся ў глебе. Такім чынам, не ўсе рэчывы могуць паўплываць на іх жыццяздольнасць. Гэта я ведаю з уласнага досведу тэставання розных хімікатаў.

– Чаму вы вырашылі паспрабаваць селенавыя нанакампазіты?

Селен з'яўляецца неабходным мікраэлементам для ўсіх жывых арганізмаў. Ён уваходзіць у склад неабходных для клеткі ферментаў, валодае высокай біялагічнай актыўнасцю і антіоксідантным дзеяннем. Аднак яго ўтрыманне ў глебе ва ўсім свеце недастаткова.

У складзе нанакампазітаў селен знаходзіцца ў выглядзе наначасціц. Яны не маюць зарада, іх памер дасягае 100 нанаметраў. У параўнанні са звычайнымі злучэннямі хімічных элементаў, наначасціцы трэба спажываць у меншых аб'ёмах. У вялікіх колькасцях яны валодаюць таксічным дзеяннем.

Пры стварэнні нанакампазітаў наначасціцы шчыльна ўпакоўваюцца ўнутры вялікай малекулы (матрыцы). Гэта прыродны палімер, напрыклад, крухмал, які атрымліваюць з бульбы, або каррагинан, які выкарыстоўваецца ў якасці загушчальніка для харчовай прамысловасці, або арабиногалактан, поліцукрыд, вылучаны з лістоўніцы сібірскай, а таксама гумінавых рэчывы. Наначасціц знаходзяцца не на паверхні нанокомпозита, а ўнутры, таму яны не здольныя ўступаць у хімічныя рэакцыі.

Як знішчаюцца бактэрыі?

– Прыродныя палімеры прывабныя для хваробатворных бактэрый у якасці ежы. Яны вылучаюць вонкі асаблівыя рэчывы - экзоферменты, якія здольныя расшчапляць вялікія малекулы па-за межамі бактэрыяльнай клеткі на больш дробныя - алігамеры і мономеры. Імі сілкуюцца бактэрыі. Калі нанокомпозитная матрыца расшчапляецца экзоферментами, вылучаюцца наначасціцы селену.

Яны прымацоўваюцца да паверхні бактэрыяльнай клеткі і ўздзейнічаюць на мембранны патэнцыял, то ёсць зарад на паверхні клеткі. У выніку вадкасць з навакольнага асяроддзя пачынае актыўна пранікаць у бактэрыяльную клетку, што прыводзіць да разрыву бактэрыі.

Пры гэтым як наначасціц селену, так і матрыцы не аказваюць негатыўнага ўплыву на расліны. Больш за тое, мы даследавалі шэраг рэчываў – нанакампазіты селену ў розных прыродных палімерных матрыцах – і выявілі, што яны нават стымулююць рост і развіццё раслін, павышаюць іх устойлівасць да фітапатагенаў in vitro, гэта значыць «у прабірцы», і прадуктыўнасць у палявыя ўмовы. эксперыментаваць.

Пры гэтым селен не назапашваецца ў тканінах раслін пасля іх апрацоўкі і не аказвае пагібельнага ўздзеяння на глебавыя мікраарганізмы, што сведчыць аб бяспецы выкарыстання нанакампазітаў. Акрамя таго, яны ўзбагачаюць мінеральнае харчаванне раслін, павышаюць іх устойлівасць да хвароб. Такім чынам, атрымліваецца, што нанакампазіты селену знішчаюць фітапатагенныя мікраарганізмы і, акрамя таго, аказваюць ростстымулюючы эфект для раслін, не наносячы шкоды навакольнаму асяроддзю.

• Як доўга вы працуеце над гэтай тэмай? Якія яшчэ вынікі вы атрымалі?

– Даследаваць біялагічную актыўнасць нанакампазітаў я пачаў адразу пасля абароны кандыдацкай. дысертацыю ў 2013 г. Нанакампазіты селену сінтэзаваны навуковай групай Барыса Сухава Інстытута кінетыкі і гарэння Сібірскага аддзялення РАН. В. В. Ваяводскага ў Новасібірску. У нашым інстытуце нанакампазітамі займаемся я і мае калегі: Ірына Граськова, галоўны навуковы супрацоўнік лабараторыі раслінна-мікробных узаемадзеянняў, доктар біялагічных навук, Вольга Ножкіна і Анастасія Газізава, вядучы інжынер, а таксама студэнты біёлага-глебавага факультэта. Іркуцкага дзяржаўнага ўніверсітэта, якія пад маім кіраўніцтвам выконваюць даследаванні для сваіх курсавых і дыпломных работ.

Намі вывучаны ўплыў шэрагу селензмяшчальных нанакампазітаў у матрыцах на ўсходжасць радыскі, соі і бульбы. Устаноўлена, што ў некаторых выпадках яны стымулююць рост. На працягу трох гадоў, з 2020 па 2022, у ходзе палявых эксперыментаў мы вывучалі ўплыў нанакампазітаў селену на ўраджайнасць бульбы і выявілі, што яны павялічваюць колькасць клубняў, атрыманых з кожнай расліны.

Акрамя таго, мы выявілі шкоднае ўздзеянне нанакампазітаў селену на бактэрыі кальцавой гнілі бульбы Clavibactersepedonicus і ўзбуджальніка фітафторозу Phytophthora cactorum, які заражае шырокі спектр культур, ад яблынь да кветак.

Фітофтороз - захворванне раслін, пры якім назіраецца пожелтенія і завяданне лісця, загніванне пладоў на лазе і нават поўная гібель расліны. Часта сустракаецца ў прадстаўнікоў сямейства пасленовых - гэта памідоры і бульба. Зараз мы вывучаем, як перадпасяўная апрацоўка клубняў бульбы нанакампазітамі селену ўплывае на мікробны склад (мікрабіём) клубняў з ураджаю бульбы.

За 10 гадоў мы даследавалі шэраг нанакампазітаў на аснове наначасціц металаў – срэбра, медзі, марганца, жалеза, а таксама іх розных камбінацый. Атрыманы новыя цікавыя дадзеныя, згодна з якімі некаторыя нанакампазіты валодаюць вельмі высокай біялагічнай актыўнасцю: яны стымулююць рост і развіццё раслін, валодаюць высокім антыбактэрыйным дзеяннем. Мы ўжо падалі заяўку на патэнт на рэгістрацыю біялагічнай актыўнасці нанакампазітаў марганца.

– Наколькі будуць запатрабаваныя вынікі вашых даследаванняў?

– Сёння актыўна абмяркоўваецца выкарыстанне нанатэхналогій у розных сферах народнай гаспадаркі. У медыцыне і ветэрынарыі наначасціцы ўжо шырока выкарыстоўваюцца для лячэння рака і ў якасці антыаксідантаў. Выкарыстанне нанатэхналогій у аграхіміі перспектыўна ў сувязі з нізкім аб'ёмам выкарыстання рэчываў, якія змяшчаюць наначасціцы. Пры гэтым выдаткі супастаўныя са звычайнымі сродкамі дэзінфекцыі, а эфект ад выкарыстання наначасціц значна вышэй. У сувязі з тым, што глеба бедная селенам, раслінам неабходныя адпаведныя мінеральныя падкормкі. Аднак большасць з іх не цалкам раствараецца ў глебавай вільгаці і паглынаецца раслінамі. Такім чынам, неабходнасць апрацоўкі пасадкавага матэрыялу селенавымі нанакампазітамі відавочная.

Акрамя таго, да гэтага часу недастаткова фундаментальных ведаў аб уплыве наначасціц на раслінныя арганізмы, фитопатогенные мікраарганізмы і раслінна-мікробныя адносіны. Наша даследаванне запаўняе гэтыя прабелы. Мы ўжо правялі вялікую колькасць лабараторных даследаванняў і палявых эксперыментаў, якія далі нам дастаткова глыбокае разуменне праблемы. Каб выкарыстоўваць гэтыя веды на практыцы, патрэбна апрабацыя ў аграфірме. Гэта таксама зробім, але пазней. Для такой працы патрэбны значна большыя аб'ёмы нанакампазітаў, чым для лабараторных даследаванняў. Гэта задача хімікаў-сінтэтыкаў.