Через промислово зумовлене руйнування клімату, катастрофічну економічну нерівність, війни та масові переселення світ усе глибше занурюється в продовольчу кризу. За даними ООН, у 68 країнах світу нині фіксують гострий голод, від якого страждають близько 318 мільйонів людей. Одночасні голодомори в Палестині та Судані, які Організація Об’єднаних Націй називає «спустошливим першим випадком у цьому столітті», загрожують життю мільйонів.
У такій ситуації будь-яка технологія, здатна посилити продовольчу безпеку та захистити врожай, стає питанням виживання. Саме над цим працюють дослідники Школи інженерії Jacobs в Університеті Каліфорнії в Сан-Дієго (University of California San Diego, одна з провідних дослідницьких установ США, відома сильними програмами в галузі біоінженерії, матеріалознавства та океанографії).
Полімер як «броня в спреї» для рослин
У науковій статті в журналі ACS Materials Letters під назвою «Polynorbornene Spray Coating to Enhance Plant Health» команда під керівництвом Патріка Опденштайнена представила новий інструмент посилення продовольчої безпеки – полімерне покриття, яке наноситься у вигляді спрею й працює як захисна броня. Воно допомагає рослинам протистояти шкідливим бактеріям і водночас краще витримувати посуху.
На фото – лист рослини Nicotiana benthamiana, широко використовуваної у лабораторних дослідженнях як модельна культура завдяки своїй чутливості до інфекцій і швидкому росту. Саме на ній науковці демонстрували, як бактерії проникають у тканини та як полімерне покриття може цьому протидіяти.
Бактерії, що нищать врожаї, і клімат, який грає на їхньому боці
Як і люди, рослини потерпають від низки бактеріальних захворювань. Частина мікроорганізмів, як неодноразово описував видання New Atlas, є корисною і для рослин, і для людей – допомагають засвоювати поживні речовини, стимулюють ріст, підсилюють імунні реакції. Але інші бактерії несуть пряме руйнування, особливо якщо йдеться про сільськогосподарські культури, які годують мільярди людей.
Серед небезпечних бактеріальних недугів аграрії добре знають плямистість (speck), яка переживає зиму й уражає помідори; бактеріальний опік і канкер, що пошкоджує плодові дерева, зокрема яблуні й персики; а також різноманітні форми гнилей і в’янення, які атакують баштанні, огірки, гарбузи, патисони, перець, помідори, баклажани, квасолю та інші овочі.
З огляду на кліматичне потепління ситуація лише погіршується. Те, що дослідники називають «кліматичним хаосом», відкриває нові території для інвазії патогенів: бактерії, які раніше не могли витримати низькі температури, тепер успішно переживають м’які зими і поширюються в регіони, де раніше були відсутні.
Як працює захисний спрей із полімеру
Команда з кафедри Aiiso Yufeng Li Family Department of Chemical and Nano Engineering та Центру досліджень матеріалів (Materials Research Science and Engineering Center, MRSEC) в UC San Diego створила синтетичний полімер із позитивно зарядженими хімічними групами. У класичній хімії полімерів такі матеріали синтезують у органічних розчинниках, які часто є токсичними для живих організмів.
Науковці пішли іншим шляхом: вони адаптували загальну схему синтезу так, щоб він відбувався у водному середовищі. У підсумку отримали газопроникний полімер полінорборнен, безпечний для рослин, але згубний для клітинних мембран широкого спектра шкідливих бактерій.
«Зазвичай полімери синтезують, використовуючи органічні розчинники, токсичні для рослин, – пояснює співавтор дослідження Луїс Паломіно, аспірант спеціальності “хімічна та наноінженерія”. – Ми зробили інакше: отримали полімер у буферному розчині на основі води. Це дало змогу створити спрей-формулу, яка значно краще сумісна з рослинами. Ми просто розчиняємо полімер у воді до потрібної концентрації та розпилюємо його на листя».
Позитивно заряджені ділянки полімеру взаємодіють із мембранами бактеріальних клітин, порушуючи їх цілісність. Для рослини таке покриття є умовно «нейтральним», але для патогенів воно стає хімічним бар’єром, який послаблює або навіть знищує їх ще на підході.
Чому захист спрацьовує навіть при частковому покритті
На одному з етапів експерименту постдокторант Патрік Опденштайнен навмисно інфікував листя бактеріями, щоб перевірити ефективність нового спрею. Результат виявився несподіваним навіть для самих науковців: захисне покриття не обов’язково має вкривати всю рослину, ані навіть цілий листок.
«Ми можемо обробити лише невелику частину листя, – розповідає Опденштайнен, – а рослина в цілому набуває стійкості до бактеріальної інфекції. Це був надзвичайно цікавий підсумок».
Дослідники припускають, що така дія пов’язана з реакцією стресу в оброблених ділянках. Полімер, імовірно, спричиняє короткочасне легке підвищення рівня пероксиду водню (H2O2) – сполуки, яку рослини природно виробляють у відповідь на стрес. У малих дозах це може працювати як сигнал тривоги, що запускає в усій рослині ширший комплекс захисних реакцій на молекулярному рівні.
Захист від посухи: «стілсуїт» із наукової фантастики
Ще один важливий результат дослідження – підвищена стійкість до посухи. Після чотирьох днів штучно створеної нестачі води, рослини, які не обробляли полімером, помітно зів’яли, тоді як ті, що отримали «броню в спреї», залишалися відносно здоровими.
Науковці порівнюють це з «stillsuit» із роману Dune – спеціальним костюмом, який у пустельному світі Френка Герберта дає змогу людині зберігати та перерозподіляти вологу тіла. Так само полімерне покриття, ймовірно, зменшує втрати води через поверхню листя, одночасно посилюючи стресові відповіді, що допомагають рослині економніше використовувати наявну вологу.
В умовах дедалі частіших хвиль спеки й тривалих посух у багатьох регіонах планети, від Східної Африки до Середземномор’я, такі властивості можуть стати визначальними для врожайності та виживання цілих громад.
Що буде далі: біорозкладність і безпечність для полів
Учені з UC San Diego наголошують: робота перебуває на ранньому етапі. Попереду – дослідження того, наскільки швидко полімер розкладається в природних умовах, і наскільки він безпечний для довкілля, ґрунтової мікрофлори, корисних комах і, зрештою, людей.
«Ми сподіваємося використовувати цю технологію безпосередньо в полі, щоб допомогти сільському господарству, – каже Опденштайнен. – Це перший крок. Тут є величезний простір для розвитку засобів захисту рослин».
У світі, де виробництво продуктів харчування постійно балансує між екстремальною погодою, деградацією ґрунтів і масовими хворобами культур, подібні розробки можуть стати основою нового покоління аграрних технологій – з меншим використанням агрохімікатів, більшою увагою до екології та реальним внеском у боротьбу з голодом, про масштаби якого нагадують звіти ООН.
