В мире давно начался бум вокруг органических продуктов, которые должны удовлетворять заданным критериям, в том числе быть экологически чистыми. А как добиться нужной чистоты, если почти все сельскохозяйственные культуры подвержены болезням, вызванным микробами? Такую задачу решить без «химии» непросто. Поэтому ученые думают над тем, как сделать химические вещества максимально безвредными для растений и здоровья человека. За решение этой задачи вместе со своей научной командой взялась старший научный сотрудник лаборатории растительно-микробных взаимодействий Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН, кандидат биологических наук Алла ПЕРФИЛЬЕВА. Тема исследований «Оздоровление сельскохозяйственных растений от бактериальных и грибных фитопатогенов с использованием нанокомпозитов селена, полученных путем химического и микробиологического синтеза» поддержана грантом Президента РФ.
— Фитопатогенные микробы — это возбудители заболеваний культурных растений, рассказывает Алла. — Они могут быть в виде вирусов, бактерий или грибков. Из-за глобального изменения климата ареал многих патогенных микробов расширяется, распространяясь в том числе на новые территории. Патогены приводят к поражению посадочного материала — гниению луковиц, клубней растений. В результате замедляется рост растения в процессе вегетации: уменьшаются его размеры в целом или его органов — мельчают листья, плохо развивается корневая система. Изменяется пигментация: происходит пожелтение, органы приобретают бледно-зеленый цвет. Листья и стебли увядают, нередки случаи полной гибели растений. Все это, конечно же, негативно сказывается на урожае.
— Как с этим бороться?
— Для подавления фитопатогенных микроорганизмов используют токсичные пестициды. Однако они действуют против грибков и неэффективны против бактерий. Но такие средства, несомненно, нужны.
— Получается, что фитопатогенные бактерии все уничтожают и с этим ничего нельзя поделать?
— Фитопатогенам уничтожать все невыгодно, ведь им нужна кормовая база. Если они будут полностью истреблять растения-хозяева, то им попросту негде будет жить и нечем питаться. Поэтому фитопатогены угнетают растения постепенно.
На развитие заболеваний влияют погодные условия, иногда они оказываются в пользу человека, а не патогенов. Например, различные гнили, в том числе заболевание фитофтороз, активнее развиваются в холодное и дождливое лето, а сухая и жаркая погода для них неблагоприятна. Иногда потери урожая оказываются существенными и составляют 40-70%. Нужно учитывать тот факт, что фитопатогены никогда не работают в одиночку. Как правило, происходит комплексное воздействие грибов и бактерий на растения. В результате одна инфекция (зачастую грибки) ослабляет организм растения, а остальные фитопатогены набрасываются позже.
— Получается, какие-то культуры вообще не стоит выращивать — все равно их бактерии съедят?
— В результате длительной селекции человек отбирал наиболее устойчивые сорта культурных растений. Однако эволюция фитопатогенов идет параллельно с эволюцией растений-хозяев — они тоже становятся более живучими.
— Какие препараты сейчас разрабатываются, чтобы решить проблему?
— Фитопатогенные микроорганизмы очень устойчивы к факторам внешней среды, так как способны часть своей жизни пребывать вне организма растения-хозяина, находясь в почве. Поэтому далеко не все вещества могут влиять на их жизнеспособность. Это я знаю из собственного опыта испытания различных химических веществ.
— Почему вы решили попробовать именно нанокомпозиты селена?
— Селен — необходимый ультрамикроэлемент для всех живых организмов. Он входит в состав необходимых для клетки ферментов, обладает высокой биологической активностью и антиоксидантным эффектом. 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 нужно расходовать в меньших объемах. В больших количествах они обладают токсичным эффектом.
При создании нанокомпозитов наночастицы плотно упаковываются внутрь большой молекулы (матрицы). Это природный полимер, например, крахмал, полученный из картофеля, или каррагинан, используемый для пищевой промышленности как загуститель, или арабиногалактан — полисахарид, выделенный из лиственницы сибирской, а также гуминовые вещества. Наночастицы находятся не на поверхности нанокомпозита, а внутри, поэтому неспособны вступать в химические реакции.
— Как происходит уничтожение бактерий?
— Природные полимеры привлекательны для патогенных бактерий как пища. Они выделяют наружу специальные вещества — экзоферменты, которые способны вне бактериальной клетки расщеплять крупные молекулы до более мелких — олигомеров и мономеров. Ими бактерии и питаются. При расщеплении матрицы нанокомпозита экзоферментами высвобождаются наночастицы селена. Они прикрепляются к поверхности бактериальной клетки и воздействуют на мембранный потенциал, то есть заряд поверхности клетки. В результате этого в бактериальную клетку начинает активно поступать жидкость из окружающей среды, что приводит к разрыву бактерии.
При этом и наночастицы селена, и матрицы не оказывают негативного воздействия на растения. Более того, мы исследовали ряд веществ — нанокомпозитов селена в различных природных полимерных матрицах — и обнаружили, что они даже стимулируют рост и развитие растений, повышают их сопротивляемость к фитопатогену в условиях in vitro, то есть «в пробирке», и продуктивность в условиях полевого эксперимента.
При этом селен не накапливается в тканях растений после их обработки и не оказывает губительного влияния на почвенные микроорганизмы, что свидетельствует о безопасности применения нанокомпозитов. Мало того, они обогащают минеральное питание растений, повышают их устойчивость к болезням. Таким образом, получается, что нанокомпозиты селена уничтожают фитопатогенные микроорганизмы и вдобавок обладают ростостимулирующим эффектом для растений, не нанося вреда окружающей среде.
— Давно ли вы занимаетесь этой темой? Какие еще результаты получили?
— Я начала исследовать биологическую активность нанокомпозитов сразу после защиты кандидатской диссертации в 2013 году. Нанокомпозиты селена синтезирует научная группа Бориса Сухова в Институте кинетики и горения СО РАН им. В.В.Воеводского в Новосибирске. В нашем институте нанокомпозитами занимаюсь я и мои коллеги: главный научный сотрудник лаборатории растительно-микробных взаимодействий, доктор биологических наук Ирина Граскова, ведущий инженер Ольга Ножкина и Анастасия Газизова, а также студенты биолого-почвенного факультета Иркутского государственного университета, которые под моим руководством выполняют исследования для своих курсовых и дипломных работ.
Мы исследовали влияние ряда селенсодержащих нанокомпозитов в матрицах на прорастание редиса, сои, картофеля. Обнаружили, что в некоторых случаях они стимулируют рост. В течение трех лет, с 2020-го по 2022-й, в ходе полевых экспериментов исследовали влияние нанокомпозитов селена на продуктивность картофеля и выявили, что они увеличивали количество клубней, полученных с каждого растения.
Кроме того, мы открыли губительный эффект, который нанокомпозиты селена производят на бактерию, вызывающую кольцевую гниль картофеля, Clavibactersepedonicus и грибок, возбудитель фитофтороза Phytophthora cactorum, поражающий широкий круг культурных растений, — от яблони до цветов.
Фитофтороз — это заболевание растений, при котором наблюдаются пожелтение и увядание листьев, загнивание плодов на корню и даже полная гибель растения. Часто встречается у представителей семейства пасленовых — это томаты и картофель. Сейчас исследуем, как предпосадочная обработка клубней картофеля нанокомпозитами селена влияет на микробный состав (микробиом) клубней из урожая картофеля.
За 10 лет мы изучили ряд нанокомпозитов на основе наночастиц металлов — серебра, меди, марганца, железа, а также их различных комбинаций. Получили новые интересные данные, согласно которым некоторые нанокомпозиты обладают очень высокой биологической активностью: стимулируют рост и развитие растений, обладают высоким антибактериальным эффектом. Уже подали заявку на патент по регистрации биологической активности нанокомпозитов марганца.
— Насколько будут востребованы результаты ваших исследований?
— Сегодня активно обсуждается применение 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 благодаря низким объемам использования веществ, содержащих наночастицы. При этом затраты сопоставимы с обычными дезинфицирующими средствами, а эффект от применения наночастиц гораздо выше. Из-за того, что почва бедна селеном, растениям нужны соответствующие минеральные добавки. Однако большинство из них не полностью растворяется в почвенной влаге и усваивается растениями. Поэтому очевидна необходимость обработки посадочного материала нанокомпозитами селена.
Кроме того, сейчас все-таки недостаточно фундаментальных знаний о влиянии наночастиц на растительные организмы, фитопатогенные микроорганизмы и растительно-микробные взаимоотношения. Наши исследования восполняют эти пробелы. Мы уже провели большое количество лабораторных испытаний и полевые опыты, которые дали нам достаточно глубокое понимание проблемы. Для использования этих знаний на практике нужна апробация в сельскохозяйственной фирме. Мы тоже будем этим заниматься, но позже. Такая работа требует значительно больших объемов нанокомпозитов, чем для лабораторных исследований. Это уже задача химиков-синтетиков.
Фирюза ЯНЧИЛИНА
Нет комментариев