Нанокомпозиты ударят по фитопатогенам

В мире давно начался бум вокруг органических продуктов, которые должны соответствовать определенным критериям, в том числе быть экологически чистыми. А как добиться нужной чистоты, если почти все культуры подвержены заболеваниям, вызываемым микробами? Без «химии» такую ​​задачу решить непросто. Поэтому ученые думают, как сделать химикаты максимально безвредными для растений и здоровья человека. За решение этой проблемы вместе со своим научным коллективом взялась Алла ПЕРФИЛЬЕВА, старший научный сотрудник лаборатории растительно-микробных взаимодействий Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН, кандидат биологических наук. . Тема НИР «Оздоровление сельскохозяйственных растений от бактериальных и грибных фитопатогенов с помощью нанокомпозитов селена, полученных химико-микробиологическим синтезом» поддержана грантом Президента Российской Федерации.

• — Фитопатогенные микробы — возбудители болезней культурных растений, — говорит Алла. Они могут быть в виде вирусов, бактерий или грибков. В связи с глобальным изменением климата расширяется ареал многих болезнетворных микробов, в том числе распространяется на новые территории. Возбудители приводят к поражению посадочного материала – загниванию луковиц, клубней растений. В результате в период вегетации замедляется рост растения: уменьшаются его размеры в целом или его органы – мельчают листья, плохо развивается корневая система. Изменяется пигментация: происходит пожелтение, органы становятся бледно-зелеными. Вянут листья и стебли, нередки случаи полной гибели растений. Все это, конечно, негативно сказывается на урожае.

– Как с этим справиться?

– Для подавления фитопатогенных микроорганизмов применяют ядовитые пестициды. Однако они действуют против грибков и неэффективны против бактерий. Но такие средства, несомненно, нужны.

• Получается, что фитопатогенные бактерии уничтожают все и с этим ничего нельзя поделать?
• Фитопатогенам невыгодно все уничтожать, ведь им нужна кормовая база. Если они полностью истребит растения-хозяева, то им просто негде будет жить и нечего есть. Поэтому фитопатогены угнетают растения постепенно.

На развитие болезней влияют погодные условия, иногда они оказываются в пользу человека, а не возбудителей. Например, различные гнили, в том числе фитофтороз, более активно развиваются в холодное и дождливое лето, а сухая и жаркая погода для них неблагоприятна. Иногда потери урожая значительны и составляют 40-70%. Нужно учитывать тот факт, что фитопатогены никогда не действуют в одиночку. Как правило, наблюдается комплексное воздействие грибов и бактерий на растения. В результате одна инфекция (часто грибковая) ослабляет растительный организм, а остальные фитопатогены атакуют позже.

• Получается, что некоторые культуры вообще не стоит выращивать – их все равно съедят бактерии?
• В результате многолетней селекции человек отобрал наиболее устойчивые сорта культурных растений. Однако эволюция фитопатогенов идет параллельно с эволюцией растений-хозяев — они тоже становятся более живучими.

– Какие препараты сейчас разрабатываются для решения проблемы?

• Фитопатогенные микроорганизмы очень устойчивы к факторам внешней среды, так как способны проводить часть своей жизни вне организма растения-хозяина, находясь в почве. Поэтому не все вещества могут влиять на их жизнеспособность. Это я знаю по собственному опыту тестирования различных химикатов.

– Почему вы решили попробовать селеновые нанокомпозиты?

Селен является важным микроэлементом для всех живых организмов. Входит в состав необходимых клетке ферментов, обладает высокой биологической активностью и антиоксидантным действием. Однако его содержание в почве во всем мире недостаточно.

В составе нанокомпозитов селен находится в виде наночастиц. Они не имеют заряда, их размер до 100 нанометров. По сравнению с обычными соединениями химических элементов наночастицы необходимо потреблять в меньших объемах. В больших количествах они оказывают токсическое действие.

При создании нанокомпозитов наночастицы плотно упаковываются внутри большой молекулы (матрицы). Это природный полимер, например, крахмал, полученный из картофеля, или каррагинан, используемый в качестве загустителя для пищевой промышленности, или арабиногалактан, полисахарид, выделенный из лиственницы сибирской, а также гуминовые вещества. Наночастицы располагаются не на поверхности нанокомпозита, а внутри, поэтому не способны вступать в химические реакции.

Как уничтожаются бактерии?

– Природные полимеры привлекательны для болезнетворных бактерий в качестве пищи. Они выделяют наружу особые вещества – экзоферменты, которые способны расщеплять большие молекулы вне бактериальной клетки на более мелкие – олигомеры и мономеры. Бактерии питаются ими. При расщеплении нанокомпозитной матрицы экзоферментами высвобождаются наночастицы селена.

Они прикрепляются к поверхности бактериальной клетки и воздействуют на мембранный потенциал, то есть на заряд на поверхности клетки. В результате в бактериальную клетку начинает активно поступать жидкость из окружающей среды, что приводит к разрыву бактерии.

При этом как наночастицы селена, так и матрицы не оказывают отрицательного действия на растения. Более того, мы изучили ряд веществ – нанокомпозитов селена в различных природных полимерных матрицах – и обнаружили, что они даже стимулируют рост и развитие растений, повышают их устойчивость к фитопатогенам in vitro, то есть «в пробирке», и продуктивность в полевые условия. эксперимент.

При этом селен не накапливается в тканях растений после их обработки и не оказывает губительного действия на почвенные микроорганизмы, что свидетельствует о безопасности применения нанокомпозитов. Кроме того, они обогащают минеральное питание растений, повышают их устойчивость к болезням. Таким образом, получается, что нанокомпозиты селена уничтожают фитопатогенные микроорганизмы и, кроме того, оказывают ростостимулирующее действие на растения, не нанося вреда окружающей среде.

• Как давно вы работаете над этой темой? Какие еще результаты вы получили?

– Исследованиями биологической активности нанокомпозитов я занялся сразу после защиты кандидатской диссертации. защитил кандидатскую диссертацию в 2013 году. Селеновые нанокомпозиты синтезированы научной группой Бориса Сухова в Институте кинетики и горения СО РАН. В.В. Воеводского в Новосибирске. В нашем институте нанокомпозитами занимаюсь я и мои коллеги: Ирина Граскова, главный научный сотрудник лаборатории растительно-микробных взаимодействий, доктор биологических наук, Ольга Ножкина и Анастасия Газизова, ведущий инженер, а также студенты биолого-почвенного факультета Иркутского государственного университета, которые под моим руководством выполняют исследования для своих курсовых и диссертаций.

Нами изучено влияние ряда селенсодержащих нанокомпозитов в матрицах на всхожесть редиски, сои и картофеля. Установлено, что в ряде случаев они стимулируют рост. В течение трех лет, с 2020 по 2022 год, в ходе полевых опытов мы изучали влияние нанокомпозитов селена на продуктивность картофеля и установили, что они увеличивают количество клубней, получаемых с каждого растения.

Кроме того, нами обнаружено пагубное влияние нанокомпозитов селена на бактерии кольцевой гнили картофеля Clavibactersepedonicus и возбудителя фитофтороза Phytophthora cactorum, поражающего широкий спектр сельскохозяйственных культур, от яблонь до цветов.

Фитофтороз – заболевание растений, при котором наблюдается пожелтение и увядание листьев, загнивание плодов на лозе и даже полная гибель растения. Часто встречается у представителей семейства пасленовых – это помидоры и картофель. Сейчас мы изучаем, как предпосадочная обработка клубней картофеля нанокомпозитами селена влияет на микробный состав (микробиом) клубней урожая картофеля.

За 10 лет нами был изучен ряд нанокомпозитов на основе наночастиц металлов – серебра, меди, марганца, железа, а также их различных комбинаций. Получены новые интересные данные, согласно которым некоторые нанокомпозиты обладают очень высокой биологической активностью: стимулируют рост и развитие растений, обладают высоким антибактериальным действием. Мы уже подали заявку на патент на регистрацию биологической активности марганцевых нанокомпозитов.

– Насколько будут востребованы результаты ваших исследований?

– Сегодня активно обсуждается использование нанотехнологий в различных сферах народного хозяйства. В медицине и ветеринарии наночастицы уже широко используются для лечения рака и в качестве антиоксидантов. Применение нанотехнологий в агрохимии перспективно в связи с малым объемом применения веществ, содержащих наночастицы. При этом затраты сопоставимы с обычными дезинфектантами, а эффект от применения наночастиц значительно выше. В связи с тем, что почва бедна селеном, растениям необходимы соответствующие минеральные подкормки. Однако большая их часть не растворяется полностью в почвенной влаге и усваивается растениями. Поэтому необходимость обработки посадочного материала нанокомпозитами селена очевидна.

Кроме того, до сих пор недостаточно фундаментальных знаний о влиянии наночастиц на растительные организмы, фитопатогенные микроорганизмы и растительно-микробные взаимоотношения. Наше исследование заполняет эти пробелы. Мы уже провели большое количество лабораторных испытаний и полевых экспериментов, которые дали нам достаточно глубокое понимание проблемы. Для использования этих знаний на практике необходима апробация в агрофирме. Мы тоже это сделаем, но позже. Для такой работы требуются гораздо большие объемы нанокомпозитов, чем для лабораторных исследований. Это задача химиков-синтетиков.