В условиях глобальной трансформации климата, который становится все жарче и суше, жизнь растений усложняется. Вместе с тем, такие условия благоприятны для многих патогенов и насекомых-вредителей. Химические пестициды и фунгициды, которые использовались в сельском хозяйстве для защиты урожая, все менее востребованы – они растут в цене, вредны для человека, при этом эффективность таких препаратов снижается. Биологи ТГУ совместно с китайскими коллегами разработали новый способ активизации иммунитета растений при помощи олигосахаридов, полученных из полисахарида левана. Данный способ уже протестирован на дынях и арбузах.
Сейчас растения все чаще подвергаются абиотическим стрессам, включая засуху, нехватку влаги, засоление и загрязнение тяжелыми металлами, и биотическим видам стресса, таким как воздействие грибов, бактерий, вирусов, насекомых и т.д. Эти факторы, особенно когда они возникают в совокупности, приводят к значительному снижению мировых урожаев сельскохозяйственных культур, – говорит один из авторов статьи, старший научный сотрудник ВИША ТГУ (выпускница кафедры физиологии растений, биотехнологий и биоинформатики БИ ТГУ) Лилия Коломейчик. – Совместно с коллегами из Китая мы занимаемся разработкой новых подходов, которые позволят защитить растения от разных видов стресса с помощью экологичных инструментов. В частности, для того, чтобы активизировать иммунитет растений, мы проводим прайминг (предварительную обработку) леванами.
Их синтезируют растения и продуцируют некоторые микроорганизмы. Молекулы левана очень длинные, они состоят из 416 000 мономеров, поэтому плохо растворимы, что ограничивает применение в аграрной практике. Учёные из Китая единственные в мире нашли способ синтезировать короткие молекулы левана – олигосахариды (LOS), в которых всего от двух до десяти мономеров. Такие «малыши» хорошо растворимы и сохраняют иммуномодулирующие свойства исходного полимера.
В рамках научных экспериментов, проведенных на базе ТГУ, LOS были опробованы на экономически значимых культурах – арбузах и дынях. Ученые оценивали способность левана защитить эти бахчевые культуры от B. cinerea (возбудитель серой гнили) и P. Capsici – псевдогриб, вызывающий фитофтороз, корневую и плодовую гниль не только у арбузов и дынь, но и у других бахчевых, включая кабачки и тыкву. Расширение интенсивного земледелия и тепличного хозяйства привело к увеличению заболеваемости этими болезнями, что повлекло за собой значительные экономические потери для мирового рынка сельхозпродукции.
Учёные протестировали LOS на пяти сортах дыни и пяти сортах арбуза. Семена прорастали в песке, саженцы опрыскивали LOS, через 72 часа растения «инфицировали» либо B. cinerea, либо P. capsici, а через 42 часа оценивали степень поражения листьев.
Результат оказался селективным: против Phytophthora capsici LOS заметно повысил устойчивость и дыни, и арбуза, но против Botrytis cinerea LOS в этих культурах значимого эффекта не дал.
Помимо защиты, обработка LOS улучшала некоторые параметры качества: увеличивалось содержание хлорофилла в листьях и растворимых сухих веществ в плодах арбуза – то есть сенсоры пользы были двойными: и защита, и качество.
LOS действует как «тревожный сигнал» для растения. Клетки растения распознают чужеродные или повреждённые молекулы через специальные рецепторы и запускают цепочку защитных реакций: быстрый выброс активных форм кислорода, приток ионов кальция, активация сигнальных каскадов, – говорит доцент кафедры физиологии растений, биотехнологий и биоинформатики БИ ТГУ Марина Ефимова. – Это приводит к усилению барьеров (например, отложению лигнина), повышению активности ферментов, связанных с защитой, и общей подготовленности растения к стрессу. В отдельных системах LOS также проявлял прямое антимикробное действие, но в случае дыни и арбуза основной эффект – это активация иммунитета и усиление экспрессии защитных генов.
LOS можно применять как внекорневые опрыскивания, замачивание семян или погружение корней – то есть интегрировать в агротехнику без серьёзных изменений. Если дальнейшие испытания подтвердят эффективность и безопасность, LOS может стать частью стратегии устойчивого земледелия, снижая зависимость от химии и помогая культурам выживать в условиях, которые создаёт меняющийся климат.
Результаты исследования опубликованы в International Journal of Biological Macromolecules.
Подготовка специалистов, способных проводить подобные исследования, ведется на базе кафедры физиологии растений, биотехнологий и биоинформатики БИ ТГУ. В настоящее время идет набор на новую магистерскую программу «Микробиология, биотехнология и физиология растений», разработанную в рамках пилотного проекта и построенную по обновлённому принципу. Наряду с прочной теоретической базой студенты получат системное практическое обучение и набор прикладных профессиональных компетенций. Программа создана как междисциплинарный проект и ориентирована на реальные задачи биоэкономики.
Подать документы в магистратуру
Фото пресс-службы ТГУ
