Компромисс между сокращением использования пестицидов и обеспечением эффективной защиты растений является ключевой задачей для устойчивого сельского хозяйства. Стимулирование естественных защитных механизмов растений представляет собой многообещающую альтернативу. В новом исследовании ученые оценили потенциал импульсного света как физического элисистора для томата.
Численность населения мира неуклонно растет и, по прогнозам, к 2050 году достигнет 10 миллиардов человек, что потребует увеличения производства продуктов питания на 50 % по сравнению с 2013 годом для обеспечения глобальной продовольственной безопасности.
В то же время патогены и вредители ответственны за ежегодные потери урожая в мире, составляющие от 20 % до 40 %. Чтобы смягчить эти потери, фермеры в значительной степени полагаются на пестициды. В 2023 году во всем мире использовалось более 3,7 миллионов тонн пестицидов. Однако, несмотря на их признанную эффективность, активно развивается направление биозащиты растений.
В контексте агроэкологического перехода поиск устойчивых альтернатив стал основным приоритетом, среди которых стимуляция естественной защиты растений становится многообещающей стратегией.
Будучи сидячими организмами, растения выработали сложный набор защитных механизмов, обеспечивающих эффективные ответы на биотический стресс. Эти защитные механизмы включают, с одной стороны, так называемые пассивные механизмы, неспецифические и конститутивно присутствующие, такие как механические барьеры или конститутивные антимикробные метаболиты, и, с другой стороны, активные защитные механизмы, которые запускаются при распознавании патогена.
Это распознавание основано на восприятии либо консервативных молекулярных паттернов, либо специфических эффекторов, обнаруживаемых внутриклеточными рецепторами.
Распознавание запускает каскад клеточных сигналов, обеспечивающий обширное транскрипционное перепрограммирование, что приводит, среди прочего, к укреплению клеточной стенки, синтезу белков, связанных с патогенезом, продукции антимикробных соединений. Эти локальные реакции также могут распространяться по всему растению посредством системных механизмов, таких как путь передачи сигнала системной приобретенной устойчивости.
Достижения в области молекулярной биологии позволили лучше понять сигнальные события, вовлеченные во взаимодействия растений и патогенов, прокладывая путь для разработки стимуляторов иммунитета - элисисторов, как биологического происхождения (дрожжевые, водорослевые или грибные экстракты), так и химической природы (фосфиты, аминокислоты и т. д.).
Совсем недавно также были изучены так называемые физические элиситоры, использующие перекрытие между сигнальными путями биотического и абиотического стресса.
Среди этих физических стимулов свет представляет собой особенно важный рычаг. Помимо своей роли в фотосинтезе, свет действует как основной сигнал окружающей среды, регулирующий ключевые биологические процессы, такие как фотоморфогенез, циркадные ритмы и защитные реакции как на абиотические, так и на биотические стрессоры. Эта регуляция опосредована специфическими фоторецепторами, которые позволяют растениям обнаруживать тонкие изменения длины волны света или его интенсивности и дополнительно активировать внутриклеточные сигнальные каскады.
Среди этих фоторецепторов UVR8 играет центральную роль в восприятии УФ-В (UVB — это ультрафиолетовое излучение средней волны в диапазоне 280-315 нм) и УФ-С (ультрафиолетовое излучение С-типа, которое является самым высокоэнергетическим и самым коротковолновым диапазоном ультрафиолета с длиной волны от 100 до 280 нм), активируя сигнальный путь UVR8-HY5, который, как известно, способствует светозависимой активации многочисленных иммунных реакций.
Несколько исследований показали, что контролируемое воздействие света, особенно УФ-В и УФ-С, может усилить иммунитет растений, индуцируя биосинтез вторичных метаболитов, активируя гормональные сигнальные пути (салициловая кислота, жасмоновая кислота) и запуская экспрессию генов, связанных с защитой. Сообщалось, что сочетание УФ-В и УФ-С еще больше усиливает эти эффекты.
В этом контексте импульсный свет становится инновационной элиситорной технологией. Он характеризуется излучением очень коротких, но интенсивных вспышек, охватывающих широкий спектральный диапазон, от УФ-С до инфракрасного.
Объединяя несколько длин волн, известных своим иммуностимулирующим действием, эта технология может синергетически активировать несколько защитных путей, тем самым увеличивая амплитуду и продолжительность индуцированных реакций, одновременно минимизируя ограничения по продолжительности воздействия света. Хотя его применение после сбора урожая было документировано для сохранения плодов и снижения заболеваний, связанных с хранением, его потенциал в качестве стимулятора защиты растений до сбора урожая остается в значительной степени неисследованным.
Целью настоящей работы исследователей из Университет Лиможа, Франция, проведенного в сотрудничестве с экспертами компании EAGL SANODEV, была первая характеристика способности импульсного света вызывать защитные реакции у томата сорта Марманд против серой гнили Botrytis cinerea, основного некротрофного патогена, поражающего эту культуру
Растения томата выращивали в тепличных условиях в полуконтролируемой среде в отдельных горшках, заполненных профессиональным садоводческим субстратом. Посев производили по два семени в горшок, а прореживание проводили за неделю до начала световых обработок, чтобы оставить только одно растение в горшке. Растения поливали два-три раза в неделю капиллярным способом, добавляя воду непосредственно в поддоны. Световые обработки проводили на стадии 4–6 настоящих листьев (BBCH 14–16). На протяжении всего эксперимента удобрения и фитосанитарные средства не использовались.
Лечение импульсным светом проводилось с использованием системы LP.Box, устройства на основе вспышки, изначально разработанного для дезинфекции. Система работает на основе емкостного разряда в ксеноновой дуговой лампе, производя высокоинтенсивный полихроматический свет, охватывающий широкий спектр от 180 до 1200 нм. Рабочие параметры были установлены на 4000 В, с частотой вспышек 3 Гц и выходной энергией 140 Дж на импульс. Спектральное распределение импульсного света характеризовалось с помощью спектрометра Qmini, охватывающего диапазон от 225 до 1000 нм
Плотность энергии за одну вспышку составляла 37 мДж/см², измеренная с помощью джоульметра. Растения помещали в камеру для обработки по отдельности на фиксированном расстоянии 10 см между верхушкой и лампой для обеспечения равномерного облучения.
Стандартный протокол обработки, определенный в ходе предварительных экспериментов по оптимизации, состоял из пяти вспышек в день, применяемых три дня в неделю (понедельник, среда и пятница) в течение двух последовательных недель.
Для долгосрочных анализов этот цикл обработки повторялся каждые две недели на протяжении всей фазы вегетативного роста в соответствии с наблюдаемой динамикой ответа. Эти эксперименты проводились с использованием мобильного прототипа LP.Box, оснащенного регулируемой вертикальной системой ламп для поддержания постоянного расстояния от растущего полога.
Кроме того, в качестве отрицательного контроля использовался более интенсивный протокол обработки для оценки потенциального влияния чрезмерного воздействия. Эта обработка, основанная на предварительных испытаниях по индукции стресса, состояла из десяти вспышек в день, три раза в неделю (понедельник, среда и пятница) в течение двух недель.
Растения инокулировали через три дня после окончания световой обработки путем инфильтрации первых настоящих листьев, расположенных над семядолями, конидиальной суспензией Botrytis cinerea в концентрации 2 × 10 5 спор/мл. Листья, расположенные над местом инокуляции, собирали для биохимического анализа.
Для мониторинга инфекции инокуляцию in planta проводили по тому же протоколу. Параллельно на отдельные листья помещали мицелиальные пробки, которые затем инкубировали в чашках Петри на увлажненной фильтровальной бумаге в темноте для стимуляции развития патогена.
Обработка значительно повысила активность защитных и антиоксидантных ферментов, накопление фенольных соединений и каллозы, а также экспрессию ключевых генов, связанных с иммунитетом. После инокуляции Botrytis cinerea предварительно обработанные растения томата продемонстрировали усиление защитных реакций и значительное снижение тяжести заболевания, что свидетельствует о праймирующем эффекте. Стандартный протокол не оказывал влияния на фотосинтез, рост или урожайность.
Результаты предполагают, что импульсный свет может вызывать длительное состояние иммунной готовности, обеспечивая эффективную и упреждающую мобилизацию защиты. Более того, более раннее накопление фенольных соединений и каллозы в предварительно обработанных растениях позволяет предположить, что воздействие света вызывало упреждающую реакцию, ограничивая первоначальное преимущество патогена.
Напротив, интенсивная обработка по протоколу (10 вспышек/день) вызывала фотоингибирование, нарушение цепи переноса электронов, чрезмерное рассеивание тепла и значительное замедление роста листьев. Хотя эта обработка была связана с уменьшением прогрессирования B. cinerea , этот эффект, вероятно, был связан, по крайней мере частично, с неспецифическим стрессом или повреждением тканей, а не с истинной активацией защиты.
Наконец, мониторинг полного цикла показал, что стандартный протокол можно применять повторно каждые две недели без негативного влияния на рост, цветение или урожайность. Напротив, наблюдалась небольшая тенденция к повышению урожайности. Эти результаты характеризуют импульсный свет как инновационную технологию для комплексной защиты растений.
Источник: Horticulturae 2025, doi.org/10.3390/horticulturae11111331