Грибы против грибков: ученые ЮФУ нашли новый способ защиты растений
Ученые Южного федерального университета вместе с индийскими коллегами разработали способ получения наночастиц оксида меди, которые планируют испытать для защиты пшеницы и ячменя от грибковых заболеваний.
Грибковые болезни ежегодно уничтожают до 15% урожая в мире. Аграрии борются с ними химикатами, но патогены становятся устойчивыми, а токсичные вещества остаются в почве и продуктах. Чтобы получить наночастицы оксида меди, ученые использовали биогумус и культуральные экстракты видов Trichoderma. Такие частицы эффективно подавляют рост и прорастание спор фитопатогенных грибов. При этом метод основан на использовании биологических компонентов и является экологичным, простым и доступным.
Каждый год из-за болезней растений мир теряет 10–15% урожая — это миллиарды рублей убытков и тонны недоеденной еды. Фермеры борются с грибками с помощью химических фунгицидов, но у патогенов вырабатывается устойчивость, а токсичные вещества остаются в почве и продуктах. Альтернатива — наночастицы металлов. Они эффективно убивают грибки, но их синтез часто требует дорогих и опасных реагентов.
Чтобы получить наночастицы оксида меди для борьбы с фитопатогенными грибами, обычно используют агрессивные химические реагенты — кислоты, растворители. Это дорого, опасно для людей и вредно для экологии. Учёные из ЮФУ совместно с индийскими коллегами из Banaras Hindu University и Institute of Agricultural Sciences нашли другой путь. Международная команда объединила научные подходы и ресурсы разных исследовательских школ: они взяли биогумус (органическое удобрение, которое получают с помощью червей) и экстракты грибов Trichoderma — эти грибы безопасны и часто используются в биозащите растений. С помощью этих компонентов учёные получили наночастицы оксида меди. Процесс идёт при комнатной температуре, без нагревания, токсичных отходов и сложных приборов.
Рисунок 1 — Подавление радиального роста Fusarium sp., Helminthosporium sp., Curvularia sp., Bipolaris sp., Botrytis sp. и Alternaria sp. в сравнении с контролем в различных концентрациях биосинтезированных CuONPs (слева направо, PD1-0 ppm, PD2-25 ppm, PD3-50 ppm, PD4-100 частей на миллион и PD5-200 ppm).
Грибы рода Trichoderma активно конкурируют с вредными грибами и бактериями за пространство и питание в почве и способны напрямую подавлять их. Кроме того, некоторые их штаммы вырабатывают фитогормоны и участвуют в разложении органических остатков. Экстракт вермикомпостирования, в свою очередь, содержит высокую концентрацию питательных веществ для растений, а исходным сырьем для его получения могут быть различные органические отходы.
«Мы взяли компоненты, которые доступны в разных регионах мира и при этом приносят экосистеме пользу: помогают утилизировать органические отходы, подавлять фитопатогены и обеспечивать растения питательными веществами», — отмечает научный сотрудник лаборатории «Агробиотехнологии для повышения плодородия почв и качества сельскохозяйственной продукции» Наталья Черникова.
Полученные наночастицы проверили на шести видах грибов, которые чаще всего поражают сельхозкультуры: Fusarium (фузариоз зерновых), Alternaria (альтернариоз подсолнечника и овощей), Bipolaris, Curvularia, Helminthosporium и Botrytis (серая гниль плодов). В чашках Петри (прим. ред. — сосуд, где выращивают бактерии и грибки) с питательной средой ученые добавляли разные концентрации наночастиц оксида меди (CuONPs) — от 25 до 200 ppm (миллионных долей).
Грибковым заболеваниям подвержены плодово-ягодные, овощные, зерновые и зернобобовые культуры. Особенно остро проблема стоит для зерновых — пшеницы, ржи, ячменя и других культур: заболевания могут снижать урожайность и качество зерна, а также способствовать накоплению микотоксинов. В первую очередь апробацию препарата планируют провести на ячмене и пшенице.
Результат впечатлил. Даже в минимальной концентрации (25 ppm) наночастицы замедляли рост грибниц на 10–38%. А при максимальной (200 ppm) подавление достигало 56–65% в зависимости от вида гриба. Особенно чувствительными оказались Fusarium и Alternaria — их рост сократился на 63% и 65% соответственно.
Но главное — наночастицы практически полностью блокировали прорастание спор, то есть останавливали размножение грибков. Для Fusarium и Alternaria подавление составило более 95% при концентрации 200 ppm. Это значит, что патогены не просто перестают расти — они теряют способность заражать новые растения.
Рисунок 2 — Синтез CuONP с использованием различных соотношений
Одним из наиболее интересных результатов стал сам размер полученных наночастиц. Их размер составил от 5 до 10 нм, тогда как коммерческие CuONPs обычно имеют размер 5–70 нм.
«Я бы выделила два факта: синтезированные наночастицы имели маленький диапазон размерности от 5 до 10 нм; высокий процент как антагонистического действия — до 65% в отношении различных патогенов, так и ингибирования прорастания их спор — до 95%», — рассказала Наталья Черникова.
Исследователи также подчеркивают, что их метод синтеза решает сразу две задачи: утилизирует отходы вермикомпостирования и создает полезный продукт. Биогумус, который обычно используют как удобрение, в новой технологии становится сырьем для получения наночастиц. А сам процесс не требует дорогого оборудования и может быть масштабирован для промышленного производства.
Главной ценностью исследования стало то, что с помощью зеленого синтеза ученым удалось получить материал, который может одновременно использоваться как противомикробный препарат и наноудобрение. Наталья Черникова отмечает:
«Данная технология микосинтеза наночастиц представляет собой экологическую и экономически выгодную альтернативу, позволяющую избежать применения токсичных и дорогостоящих соединений, сильных восстановителей и органических растворителей».
При этом до практического применения технологии еще предстоит провести дополнительные исследования. Необходимо изучить работу препарата в реальных агроэкосистемах и разработать технологию его внесения для определенных культур и конкретных почвенно-климатических условий.
«У данного препарата высокий потенциал внедрения в агротехнологический сектор. Однако предстоит ещё большой путь, прежде чем данную технологию можно будет масштабировать», — поясняет Наталья Черникова.
Справочно:
Южный федеральный университет, являясь участником программы стратегического академического лидерства «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»), концентрирует усилия на решении задач научно-технологического развития страны. В рамках этой работы университет на основе сетевой архитектуры взаимодействия создает производственно-технологические цепочки полного цикла для ответа на «большие вызовы». Ключевые направления развития охватывают ряд критических и сквозных технологий, которые лежат в основе трех ключевых стратегических технологических проектов вуза: «Технологии биоинженерии почв», «Технологии многофункциональной микроэлектроники и интеллектуальной сенсорики для биогибридных и киберфизических систем» и «Технологии ускоренной разработки и трансфера стратегически важных материалов в микро- и малотоннажное производство».
Автор: Елизавета Христич, ред. Ольга Данилюк