Светът отдавна е започнал бум около органичните продукти, които трябва да отговарят на определени критерии, включително да са екологични. И как да постигнем желаната чистота, ако почти всички култури са податливи на болести, причинени от микроби? Не е лесно да се реши такъв проблем без „химия“. Затова учените мислят как да направят химикалите възможно най-безвредни за растенията и човешкото здраве. Алла ПЕРФИЛИЕВА, старши научен сътрудник на Лабораторията за растително-микробни взаимодействия на Сибирския институт по физиология на растенията и биохимия на Сибирския клон на Руската академия на науките, кандидат на биологичните науки, се зае с решението на този проблем заедно със своя научен екип . Изследователската тема „Подобряване на селскостопански растения от бактериални и гъбични фитопатогени с помощта на селенови нанокомпозити, получени чрез химичен и микробиологичен синтез“ беше подкрепена от безвъзмездна помощ от президента на Руската федерация.

  • Фитопатогенните микроби са причинителите на болестите по културните растения, казва Алла. Те могат да бъдат под формата на вируси, бактерии или гъбички. Поради глобалното изменение на климата обхватът на много патогенни микроби се разширява, включително разпространение на нови територии. Патогените водят до поражение на посадъчния материал - гниене на луковици, грудки на растения. В резултат на това растежът на растението се забавя през вегетационния период: размерът му като цяло или органите му намаляват - листата стават по-малки, кореновата система се развива слабо. Промени в пигментацията: появява се пожълтяване, органите стават бледозелени. Листата и стъблата изсъхват, случаите на пълна смърт на растенията не са необичайни. Всичко това, разбира се, се отразява негативно на реколтата.

– Как да се справим с него?

– За потискане на фитопатогенните микроорганизми се използват токсични пестициди. Те обаче действат срещу гъбичките и са неефективни срещу бактериите. Но такива средства несъмнено са необходими.

  • Излиза, че фитопатогенните бактерии унищожават всичко и нищо не може да се направи?
  • За фитопатогените е нерентабилно да унищожават всичко, защото се нуждаят от хранителна база. Ако напълно унищожат растенията гостоприемници, те просто няма да имат къде да живеят и какво да ядат. Следователно фитопатогените инхибират растенията постепенно.

Развитието на болестите се влияе от климатичните условия, понякога те се оказват в полза на човек, а не на патогени. Например, различни гниения, включително късна болест, се развиват по-активно в студено и дъждовно лято, а сухото и горещо време е неблагоприятно за тях. Понякога загубите на реколтата са значителни и възлизат на 40-70%. Трябва да се има предвид фактът, че фитопатогените никога не работят сами. Като правило има комплексен ефект на гъбичките и бактериите върху растенията. В резултат на това една инфекция (често гъбички) отслабва растителния организъм, а останалите фитопатогени атакуват по-късно.

  • Оказва се, че някои култури изобщо не трябва да се отглеждат – все пак бактериите ще ги изядат ли?
  • В резултат на дългосрочна селекция човек избра най-устойчивите сортове култивирани растения. Еволюцията на фитопатогените обаче върви успоредно с еволюцията на растенията гостоприемници – те също стават по-издръжливи.

– Какви лекарства се разработват в момента за решаване на проблема?

  • Фитопатогенните микроорганизми са много устойчиви на фактори на околната среда, тъй като те могат да прекарат част от живота си извън растителния организъм гостоприемник, намирайки се в почвата. Следователно не всички вещества могат да повлияят на тяхната жизнеспособност. Това знам от собствения си опит при тестване на различни химикали.

– Защо решихте да пробвате селенови нанокомпозити?

Селенът е основен микроелемент за всички живи организми. Влиза в състава на необходимите за клетката ензими, има висока биологична активност и антиоксидантно действие. Съдържанието му в почвата по света обаче е недостатъчно.

В състава на нанокомпозитите селенът е под формата на наночастици. Те са без заряд, размерът им е до 100 нанометра. В сравнение с конвенционалните съединения на химични елементи, наночастиците трябва да се консумират в по-малки обеми. В големи количества те имат токсичен ефект.

При създаването на нанокомпозити наночастиците са плътно опаковани вътре в голяма молекула (матрица). Това е естествен полимер, например нишесте, получено от картофи, или карагенан, използван като сгъстител за хранително-вкусовата промишленост, или арабиногалактан, полизахарид, изолиран от сибирска лиственица, както и хуминови вещества. Наночастиците не са разположени на повърхността на нанокомпозита, а вътре, поради което не могат да влизат в химични реакции.

Как се унищожават бактериите?

– Естествените полимери са привлекателни за патогенните бактерии като храна. Те отделят специални вещества навън - екзоензими, които са способни да разграждат големи молекули извън бактериалната клетка на по-малки - олигомери и мономери. Бактериите се хранят с тях. Когато нанокомпозитната матрица се разцепи от екзоензими, се освобождават наночастици селен.

Те се прикрепят към повърхността на бактериалната клетка и действат върху мембранния потенциал, тоест заряда на клетъчната повърхност. В резултат на това течността от околната среда започва активно да навлиза в бактериалната клетка, което води до разкъсване на бактерията.

В същото време както наночастиците, така и матриците на селен не оказват отрицателно въздействие върху растенията. Освен това изследвахме редица вещества – селенови нанокомпозити в различни природни полимерни матрици – и открихме, че те дори стимулират растежа и развитието на растенията, повишават устойчивостта им към фитопатогени in vitro, тоест „в епруветка“, и производителността в полеви условия. експеримент.

В същото време селенът не се натрупва в растителните тъкани след тяхното третиране и не оказва вредно въздействие върху почвените микроорганизми, което показва безопасността на използването на нанокомпозити. Освен това те обогатяват минералното хранене на растенията, повишават устойчивостта им към болести. Така се оказва, че селеновите нанокомпозити унищожават фитопатогенните микроорганизми и освен това имат стимулиращ растежа ефект за растенията, без да вредят на околната среда.

  • От колко време работите по тази тема? Какви други резултати получихте?

– Започнах да изследвам биологичната активност на нанокомпозитите веднага след защитата на докторската си степен. дисертация през 2013 г. Селеновите нанокомпозити са синтезирани от научната група на Борис Сухов в Института по кинетика и горене на Сибирския клон на Руската академия на науките. В. В. Воеводски в Новосибирск. В нашия институт аз и моите колеги се занимаваме с нанокомпозити: Ирина Граскова, главен изследовател на лабораторията за растително-микробни взаимодействия, доктор по биология, Олга Ножкина и Анастасия Газизова, водещ инженер, както и студенти от факултета по биология и почва от Иркутския държавен университет, които извършват изследвания под мое ръководство за своите курсови работи и дисертации.

Изследвахме ефекта на редица съдържащи селен нанокомпозити в матрици върху покълването на репички, соя и картофи. Установено е, че в някои случаи те стимулират растежа. В продължение на три години, от 2020 до 2022 г., в хода на полеви експерименти, ние изследвахме ефекта на селеновите нанокомпозити върху продуктивността на картофите и установихме, че те увеличават броя на клубените, получени от всяко растение.

Освен това открихме вредния ефект, който селеновите нанокомпозити имат върху бактериите на пръстеновидното гниене на картофите, Clavibactersepedonicus и патогена на късната болест Phytophthora cactorum, който заразява широк спектър от култури, от ябълкови дървета до цветя.

Късната болест е заболяване на растенията, при което се наблюдава пожълтяване и увяхване на листата, гниене на плодовете по лозата и дори пълна смърт на растението. Често се среща в представители на семейството на пасленови - това са домати и картофи. Сега проучваме как предпосадъчната обработка на картофени клубени със селенови нанокомпозити влияе върху микробния състав (микробиома) на клубените от реколтата от картофи.

В продължение на 10 години сме изследвали редица нанокомпозити на базата на наночастици от метали – сребро, мед, манган, желязо, както и техните различни комбинации. Получени са нови интересни данни, според които някои нанокомпозити имат много висока биологична активност: стимулират растежа и развитието на растенията и имат висок антибактериален ефект. Вече подадохме заявка за патент за регистрация на биологичната активност на манганови нанокомпозити.

– Колко ще бъдат търсени резултатите от вашите изследвания?

– Днес активно се обсъжда използването на нанотехнологиите в различни сфери на националната икономика. В медицината и ветеринарната медицина наночастиците вече се използват широко за лечение на рак и като антиоксиданти. Използването на нанотехнологиите в агрохимията е обещаващо поради ниския обем на използване на вещества, съдържащи наночастици. В същото време разходите са сравними с конвенционалните дезинфектанти, а ефектът от използването на наночастици е много по-висок. Поради факта, че почвата е бедна на селен, растенията се нуждаят от подходящи минерални добавки. Повечето от тях обаче не се разтварят напълно в почвената влага и се абсорбират от растенията. Следователно необходимостта от обработка на посадъчен материал със селенови нанокомпозити е очевидна.

Освен това все още няма достатъчно фундаментални познания за ефекта на наночастиците върху растителните организми, фитопатогенните микроорганизми и взаимоотношенията между растенията и микробите. Нашето изследване запълва тези празнини. Вече проведохме голям брой лабораторни тестове и полеви експерименти, които ни дадоха доста дълбоко разбиране на проблема. За да се използват тези знания на практика е необходима апробация в земеделска фирма. Ние също ще направим това, но по-късно. Такава работа изисква много по-големи обеми нанокомпозити, отколкото за лабораторни изследвания. Това е задачата на химиците синтетици.