Бактериальные инфекции представляют собой растущую угрозу для сельского хозяйства, поскольку они приводят к значительным потерям урожая во всем мире. Эти инфекции, вызываемые как грамотрицательными, так и грамположительными бактериями, приводят к разрушительным заболеваниям растений, таким как увядание, фитофтороз, пятнистость и рак. Повышение температуры также способствует распространению патогенов в новые регионы. В результате сельскохозяйственные культуры все чаще подвергаются воздействию различных инфекций.
Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали полимерное покрытие, наносимое распылением, которое может помочь растениям противостоять вредным бактериальным инфекциям и пережить засуху. Это достижение, опубликованное в журнале ACS Materials Letters, может способствовать укреплению глобальной продовольственной безопасности, поскольку усиливающиеся экологические стрессы приводят к росту числа болезней растений.
Для решения этой задачи исследователи из лабораторий Джона Покорски и Николь Штайнметц, профессоров кафедры химической и наноинженерии им. Айисо Юфэна Ли в Инженерной школе им. Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего, а также сотрудники Центра исследований в области материаловедения и инженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего (MRSEC) объединили усилия для разработки антибактериального покрытия, которое можно распылять непосредственно на листья растений.
Покрытие изготовлено из специально разработанного синтетического полимера, содержащего в своей структуре положительно заряженные химические группы, обладающие антибактериальными свойствами. Эти положительно заряженные группы разрушают клеточные мембраны бактерий, что делает их эффективными против широкого спектра вредных микробов.
Создание распыляемого покрытия, безопасного для растений, стало возможным благодаря модификации распространенного метода синтеза полимеров для работы в мягких условиях на водной основе.
«Как правило, полимеры синтезируются с использованием органических растворителей, токсичных для растений. В нашем случае мы поступили иначе: мы синтезировали полимер в буферных условиях в воде. Это позволило нам создать состав для спрея, более биосовместимый с растениями. Мы можем легко растворить полимер до нужной концентрации в воде и просто распылить его», — сказал один из соавторов исследования Луис Паломино, аспирант в области химической и наноинженерной инженерии в лаборатории Покорски.
Используя этот модифицированный метод, исследователи получили полимерный материал, называемый полинорборненом, который проницаем для газов. Это свойство важно для того, чтобы листья растений могли продолжать дышать и нормально расти.
Покрытие распыляли на листья Nicotiana benthamiana, распространенного модельного растения, используемого в лабораторных исследованиях и молекулярном растениеводстве, то есть производстве высокоценных молекул в растениях. Оно защищало живые растения от заражения Agrobacterium. При тестировании на отдельных листьях в чашках Петри покрытие подавляло рост как грамотрицательных, так и грамположительных бактерий, таких как Escherichia coli и Staphylococcus aureus.
Удивительным открытием стало то, что «полное покрытие листьев не обязательно для достижения защиты. Мы можем опрыскивать лишь небольшую часть листа, и это обеспечивает бактериальный иммунитет всему растению. Это действительно замечательный результат», — сказал соавтор исследования Патрик Опденстейнен, научный сотрудник лаборатории Штейнметца.
Исследователи полагают, что такая защита всего растения может быть результатом системной реакции на стресс. На обработанных листьях кратковременно наблюдалось незначительное увеличение концентрации перекиси водорода, которая служит естественной сигнальной молекулой, вырабатываемой растениями в ответ на стресс. Эта реакция со временем снижалась, и растения оставались здоровыми на протяжении всего исследования. Исследователи предполагают, что этот кратковременный стрессовый сигнал может активировать более широкую защитную реакцию всего растения.
Ещё одним результатом стало то, что растения, обработанные этим веществом, также продемонстрировали улучшенную засухоустойчивость. При прекращении полива на четыре дня обработанные растения оставались более здоровыми и меньше увядали, чем необработанные. Ученые предполагают, что полимерное покрытие может действовать как физический барьер, уменьшающий потерю воды, а также активировать механизмы стрессового ответа на молекулярном уровне, повышающие засухоустойчивость.
В ходе дальнейших исследований будут изучены механизмы, лежащие в основе устойчивости растений к бактериям и засухе. Команда также сосредоточится на улучшении биоразлагаемости и оценке токсичности для дальнейшего применения в полевых условиях.
«Мы надеемся использовать это на практике на благо сельского хозяйства, и это первый шаг. В области защиты растений заложен огромный потенциал», — сказал Опденстейнен.
Источник: Калифорнийский университет в Сан-Диего.
На фото - исследователь из Калифорнийского университета в Сан-Диего распыляет антибактериальное полимерное покрытие на листья Nicotiana benthamiana. Автор фото: Дэвид Байо/Инженерная школа им. Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего.