С развитием технологий сельскохозяйственные роботы станут привычными на фермах, выполняя широкий спектр задач, включая подкормку культур. Уже сейчас для точного внесения биоудобрений исследователи разработали систему растворимых микроигл, которая доставляет микробные коктейли непосредственно в растения, стимулируя рост с меньшими потерями микроскопических работников. Технологию можно применять и сегодня на вертикальных фермах или ценных культурах.
Ученые из Сингапура разработали растворяющиеся микроиглы, которые доставляют живое «биоудобрение» непосредственно в растительную ткань. В ходе испытаний в теплице чой-сам, разновидность листовой капусты, и кудрявая капуста кейл росли быстрее — по биомассе побегов, площади листьев и высоте — при этом биоудобрения было использовано более чем на 15% меньше, чем при стандартной инокуляции почвы.
Биоудобрения, содержащие полезные бактерии и грибы, помогающие растениям усваивать питательные вещества и переносить стресс, обычно вносятся в почву. Там им приходится конкурировать с местными микробами, и их развитию могут препятствовать кислотность и другие условия. Значительная часть этих веществ не достигает корней. Новый метод, разработанный командой Национального университета Сингапура (NUS), позволяет обойти эти препятствия и ускорить ранний прирост.
Как пояснил доцент Энди Тэй с кафедры биомедицинской инженерии Колледжа дизайна и инженерии Национального университета Сингапура (NUS) и главный исследователь Института инноваций и технологий в здравоохранении (iHealthtech), руководитель работы, идею подсказали микробы, которые могут мигрировать в организме человека. «И мы выдвинули гипотезу, что, доставляя полезные микробы непосредственно в ткани растения, например, в лист или стебель, можно ожидать перемещения их к корням, где они будут продолжать выполнять свою функцию, но гораздо более эффективно и быть менее уязвимыми к почвенным условиям». Он добавил, что прямо сейчас метод подойдет для выращивания урожая на вертикальных фермах или для высокоценных культур, где требуется точное внесение, а в будущем пригодится для роботизированной обработки. Исследование опубликовано в журнале Advanced Functional Materials.
Команда изготовила микроиглы, адаптированные для растений, из поливинилового спирта (ПВС), биоразлагаемого и недорогого полимера. Для листьев используется пластырь размером 1 см на 1 см с массивом из 40 пирамидок длиной около 140 мкм, а для более толстых стеблей подходит короткий ряд игл длиной примерно 430 мкм. Микроорганизмы смешиваются с раствором ПВС, заливаются в крошечные формы и фиксируются на кончиках игл. При нажатии большим пальцем или простым ручным аппликатором, равномерно распределяющим усилие, иглы проникают в растительную ткань и растворяются примерно за минуту, высвобождая содержащийся в них микробный груз.
В лабораторных условиях нанесение пластыря практически не нарушило структуру или функцию растений. Неглубокие вмятины на листьях исчезли в течение двух часов; показатели хлорофилла оставались стабильными; а экспрессия генов, реагирующих на стресс, которая ненадолго повысилась после введения пластыря, вернулась к исходному уровню в течение 24 часов.
Пластыри сохраняли высокую жизнеспособность микроорганизмов после хранения в течение до четырех недель — это означает, что пластыри можно подготовить заранее — и, что важно, концентрация препарата преобразовывалась в дозу, что позволяет осуществлять контролируемое внесение, чего трудно добиться в почве. 3D-печатный аппликатор обеспечивал равномерное внесение на большие площади листьев и может стать неотъемлемым компонентом в будущих роботизированных системах автоматизации.
Команда NUS продемонстрировала, что внесение коктейля из ризобактерий, стимулирующих рост растений (PGPR), состоящего из Streptomyces и Agromyces-Bacillus, через листья или стебли улучшило рост китайской капусты чой-сум и капусты кейл – полезных и популярных зеленных культур - по сравнению с необработанными контрольными образцами и дало лучшие результаты, чем обработка почвы биостимулирующими микроорганизмами.
Кроме того, растения росли быстрее по мере того, как исследователи добавляли больше микробов в каждый участок, вплоть до определенного эффективного предела. После этого добавление микробов не способствовало дальнейшему росту растений. Это позволяет производителям определять минимальную эффективную дозу, что, в свою очередь, снижает затраты и количество отходов.
«Наша система микроигл успешно доставила биоудобрение в растения чой-сам и кейл, увеличив их рост более эффективно, чем традиционные методы, при этом потребляя на 15% меньше биоудобрений. Под ускорением роста мы подразумеваем более высокую общую массу растений, большую площадь листьев и большую высоту растений», — сказал доцент Тэй.
Команда отслеживала перемещение бактерий из инъецированных листьев в корни в течение нескольких дней. В корнях бактерии подтолкнули корневой микробиом к более благоприятной смеси, не нарушая его баланса. Анализ биохимических показателей растений показал, что основной цикл производства энергии (в котором клетки преобразуют сахара в полезную энергию) был более интенсивным, азот использовался эффективнее, а соединения, необходимые для роста, синтезировались быстрее. Команда также отметила усиление антиоксидантной активности, что свидетельствует о лучшей готовности растений к стрессу и росту.
Команда распространила этот подход на полезные грибы. Пластыри, обработанные штаммом Tinctoporellus (AR8), стимулировали рост чой-сама и регулировали уровень фитогормонов — сигнальных молекул, управляющих ростом, развитием растений и их реакцией на окружающую среду, — помогая поддерживать баланс гормонов роста растений. «Эта работа впервые продемонстрировала, что биоудобрение, связанное с корнями, может быть доставлено непосредственно в листья или стебли растения для ускорения роста. Благодаря этому открытию мы представили новую концепцию «микроигольчатого биоудобрения», которая позволяет преодолеть значительные трудности, связанные с инокуляцией почвы», — добавил доцент Тэй.
Исследователи планируют ранние варианты применения в городских и вертикальных фермах, где важна точная дозировка, а также для медленнорастущих, но ценных культур, таких как лекарственные травы.
Заглядывая в будущее, доцент Тэй добавил: «Основное внимание уделяется масштабируемости. Мы планируем изучить возможность интеграции нашей технологии микроигл с сельскохозяйственной робототехникой и автоматизированными системами, чтобы сделать её применимой для крупных ферм. Мы также протестируем её на более широком спектре культур, таких как клубника, и изучим, как эти микробы эффективно мигрируют с листьев к корням».
Источник: National University of Singapore.
На заглавном фото: микроиглы с биоудобрениями прижимаются к обратной стороне листа или вдоль стебля растения большим пальцем или простым ручным аппликатором. В течение минуты микроиглы растворяются, высвобождая полезные микробы непосредственно в ткани растения. Источник: National University of Singapore.