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.
