Напыляемое антибактериальное покрытие обеспечивает новую защиту растений от болезней и засухи.

Инженеры Калифорнийского университета в Сан-Диего разработали распыляемое полимерное покрытие, которое может помочь растениям противостоять вредным бактериальным инфекциям и пережить засуху. Аванс, опубликованный в Письма о материалах ACSможет помочь укрепить глобальную продовольственную безопасность, поскольку возросшие экологические нагрузки продолжают усиливать давление болезней растений.

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, вызывают разрушительные заболевания растений, такие как увядание, фитофтороз, пятнистость и язва. Повышение температуры также позволяет патогенам распространяться в новые регионы. В результате сельскохозяйственные культуры все чаще подвергаются различным инфекциям.

Как работает антибактериальное покрытие

Чтобы решить эту проблему, исследователи из лабораторий Джона Покорски и Николь Стейнмец, профессоров кафедры химической и наноинженерии семьи Айсо Юфэн Ли в Инженерной школе Джейкобса Калифорнийского университета в Сан-Диего, а также членов Научно-технического центра исследований материалов 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 мембраны бактериальных клеток, что делает их эффективными против широкого спектра вредных микробов.

Создание покрытия распылением и обеспечение его безопасности для растений стало возможным благодаря модификации обычного метода синтеза полимеров для работы в щадящих условиях на водной основе.

«Обычно полимеры синтезируются с использованием органических растворителей, которые токсичны для растений», — сказал соавтор исследования Луис Паломино, доктор химических и наноинженерных наук. кандидат в лаборатории Покорского. «Что мы сделали по-другому, так это то, что мы создали полимер в буферных условиях в воде. Это позволило нам создать состав спрея, более биосовместимый с растениями. Мы можем легко растворить полимер до нужной концентрации в воде и просто распылить его».

Используя этот модифицированный метод, исследователи создали полимерный материал, называемый полинорборнен, проницаемый для газов. Эта особенность важна для того, чтобы листья растения могли продолжать дышать и нормально расти.

Покрытие было распылено на листья Nicotiana benthamiana, распространенной модели растения, используемой в лабораторных испытаниях и молекулярном сельском хозяйстве растений, которое представляет собой производство ценных молекул в растениях. Он защищал живые растения от заражения Agrobacterium. При тестировании на отдельных листьях в чашках Петри покрытие ингибировало рост как грамотрицательных, так и грамположительных бактерий, таких как Escherichia coli и Staphylococcus aureus.

Удивительным открытием стало то, что «для достижения защиты не обязательно полное покрытие листьев», — сказал соавтор исследования Патрик Опденштайнен, постдокторант из лаборатории Штайнмеца. «Мы можем опрыскать лишь небольшую часть листа, и это приведет к бактериальному иммунитету для всего растения. Это был действительно крутой результат».

Общая защита растений и устойчивость к засухе

Исследователи полагают, что такая защита всего растения может быть результатом системной реакции на стресс. Обработанные листья на короткое время показали небольшое увеличение содержания перекиси водорода, которая служит естественной сигнальной молекулой, которую растения производят при реакции на стресс. Эта реакция со временем снизилась, и растения оставались здоровыми на протяжении всего исследования. Исследователи предполагают, что этот краткий сигнал стресса может активировать более широкую защитную реакцию во всем растении.

Другим результатом было то, что растения, покрытые покрытием, также показали лучшую устойчивость к засухе. Когда воду не давали в течение четырех дней, опрысканные растения оставались более здоровыми и меньше увядали, чем необработанные растения. Исследователи предполагают, что полимерное покрытие может действовать как физический барьер для уменьшения потери воды, а также запускать механизмы реакции на стресс на молекулярном уровне, которые повышают устойчивость к засухе.

Продолжающаяся работа будет направлена на дальнейшее изучение механизмов, лежащих в основе устойчивости всего растения к бактериям и засухе. Команда также сосредоточится на улучшении биоразлагаемости и оценке токсичности для будущего внедрения в полевых условиях.

«Мы надеемся использовать это в полевых условиях на благо сельского хозяйства, и это первый шаг», — сказал Опденштайнен. «Существует большой потенциал для защиты растений».