นาโนคอมโพสิทจะไปโดนไฟโตพาโทเจน

โลกได้เริ่มเฟื่องฟูมานานแล้วเกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ออร์แกนิกที่ต้องผ่านเกณฑ์บางประการ รวมถึงเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม และจะบรรลุความบริสุทธิ์ที่ต้องการได้อย่างไรหากพืชผลเกือบทั้งหมดอ่อนแอต่อโรคที่เกิดจากจุลินทรีย์? การแก้ปัญหาดังกล่าวไม่ใช่เรื่องง่ายหากไม่มี "เคมี" ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์จึงคิดหาวิธีทำให้สารเคมีไม่เป็นอันตรายต่อพืชและสุขภาพของมนุษย์มากที่สุด Alla PERFILYEVA นักวิจัยอาวุโสของห้องปฏิบัติการปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชและจุลินทรีย์ของสถาบันสรีรวิทยาพืชและชีวเคมีแห่งไซบีเรียแห่งสาขาไซบีเรียของ Russian Academy of Sciences ผู้สมัครสาขาวิทยาศาสตร์ชีวภาพได้ร่วมแก้ปัญหานี้ร่วมกับทีมวิทยาศาสตร์ของเธอ . หัวข้อการวิจัย "การปรับปรุงพืชเกษตรจากไฟโตพาโทเจนจากแบคทีเรียและเชื้อราโดยใช้ซีลีเนียมนาโนคอมโพสิตที่ได้จากการสังเคราะห์ทางเคมีและจุลชีววิทยา" ได้รับการสนับสนุนจากประธานาธิบดีแห่งสหพันธรัฐรัสเซีย

• จุลินทรีย์ก่อโรคเป็นสาเหตุของโรคของพืชที่เพาะปลูก อัลลากล่าว อาจอยู่ในรูปของไวรัส แบคทีเรีย หรือเชื้อรา เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของสภาพอากาศโลก จุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรคจำนวนมากกำลังขยายตัว รวมถึงการแพร่กระจายไปยังดินแดนใหม่ เชื้อโรคนำไปสู่ความพ่ายแพ้ของวัสดุปลูก - การเน่าของหัว, หัวของพืช เป็นผลให้การเจริญเติบโตของพืชช้าลงในช่วงฤดูปลูก: ขนาดโดยรวมหรืออวัยวะของมันลดลง - ใบเล็กลง ระบบรากพัฒนาได้ไม่ดี การเปลี่ยนแปลงของผิวคล้ำ: เกิดสีเหลือง, อวัยวะกลายเป็นสีเขียวซีด ใบและลำต้นเหี่ยวเฉา กรณีของพืชตายทั้งหมดไม่ใช่เรื่องแปลก แน่นอนว่าทั้งหมดนี้ส่งผลเสียต่อพืชผล

- วิธีจัดการกับมัน?

– เพื่อยับยั้งเชื้อจุลินทรีย์ก่อโรค มีการใช้สารกำจัดศัตรูพืชที่เป็นพิษ อย่างไรก็ตามพวกมันทำหน้าที่ต่อต้านเชื้อราและไม่มีผลกับแบคทีเรีย แต่เงินดังกล่าวมีความจำเป็นอย่างไม่ต้องสงสัย

• ปรากฎว่าแบคทีเรียก่อโรคทำลายทุกสิ่งและไม่สามารถทำอะไรได้?
• มันไม่มีประโยชน์สำหรับไฟโตพาโทเจนที่จะทำลายทุกสิ่งเพราะพวกมันต้องการฐานอาหาร หากพวกมันกำจัดพืชอาศัยจนหมดสิ้น พวกมันก็จะไม่มีที่อยู่อาศัยและไม่มีอะไรจะกิน ดังนั้นไฟโตพาโทเจนจึงยับยั้งพืชอย่างค่อยเป็นค่อยไป

การพัฒนาของโรคได้รับอิทธิพลจากสภาพอากาศบางครั้งพวกเขากลายเป็นที่โปรดปรานของบุคคลไม่ใช่เชื้อโรค ตัวอย่างเช่น โรคเน่าต่างๆ รวมถึงโรคใบไหม้ช่วงปลาย พัฒนาอย่างแข็งขันมากขึ้นในฤดูร้อนที่หนาวเย็นและฝนตกชุก และสภาพอากาศที่แห้งและร้อนไม่เอื้ออำนวยต่อพวกมัน บางครั้งการสูญเสียพืชผลมีความสำคัญและมีจำนวนถึง 40-70% เราต้องคำนึงถึงความจริงที่ว่าไฟโตพาโทเจนไม่เคยทำงานคนเดียว ตามกฎแล้วเชื้อราและแบคทีเรียมีผลต่อพืชที่ซับซ้อน เป็นผลให้การติดเชื้อหนึ่งชนิด (มักเป็นเชื้อรา) ทำให้สิ่งมีชีวิตในพืชอ่อนแอลง และไฟโตพาโทเจนที่เหลือจะเข้าโจมตีในภายหลัง

• ปรากฎว่าพืชบางชนิดไม่ควรปลูกเลย แบคทีเรียจะกินมันหรือไม่?
• จากผลการคัดเลือกระยะยาวบุคคลเลือกพันธุ์พืชที่ปลูกได้ทนที่สุด อย่างไรก็ตาม วิวัฒนาการของไฟโตพาโทเจนดำเนินควบคู่ไปกับวิวัฒนาการของพืชอาศัย - พวกมันยังเหนียวแน่นมากขึ้นด้วย

– ยาอะไรที่กำลังพัฒนาเพื่อแก้ปัญหา?

• จุลินทรีย์ก่อโรคมีความทนทานต่อปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมมาก เนื่องจากพวกมันสามารถใช้ชีวิตส่วนหนึ่งนอกสิ่งมีชีวิตของพืชอาศัยได้ โดยอยู่ในดิน ดังนั้นไม่ใช่ว่าสารทุกชนิดจะส่งผลต่อความมีชีวิตได้ สิ่งนี้ฉันรู้จากประสบการณ์ของฉันเองในการทดสอบสารเคมีต่างๆ

– ทำไมคุณถึงตัดสินใจลองใช้ซีลีเนียมนาโนคอมโพสิต

ซีลีเนียมเป็นสารอาหารรองที่จำเป็นสำหรับสิ่งมีชีวิตทั้งหมด เป็นส่วนหนึ่งของเอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับเซลล์ มีฤทธิ์ทางชีวภาพสูงและมีฤทธิ์ต้านอนุมูลอิสระ อย่างไรก็ตามเนื้อหาในดินทั่วโลกไม่เพียงพอ

ซีลีเนียมอยู่ในรูปของอนุภาคนาโน ไม่มีค่าใช้จ่าย มีขนาดถึง 100 นาโนเมตร เมื่อเทียบกับสารประกอบทั่วไปขององค์ประกอบทางเคมี อนุภาคนาโนจำเป็นต้องใช้ในปริมาณที่น้อยกว่า ในปริมาณมากมีผลเป็นพิษ

เมื่อสร้างคอมโพสิตนาโน อนุภาคนาโนจะถูกบรรจุอย่างหนาแน่นภายในโมเลกุลขนาดใหญ่ (เมทริกซ์) นี่คือโพลิเมอร์ธรรมชาติ เช่น แป้งที่ได้จากมันฝรั่ง หรือคาราจีแนนที่ใช้เป็นสารเพิ่มความข้นในอุตสาหกรรมอาหาร หรืออะราบิโนกาแลคแทน ซึ่งเป็นโพลีแซคคาไรด์ที่แยกได้จากต้นสนชนิดหนึ่งในไซบีเรีย เช่นเดียวกับสารฮิวมิก อนุภาคนาโนไม่ได้อยู่ที่พื้นผิวของคอมโพสิตนาโน แต่อยู่ภายใน จึงไม่สามารถเข้าสู่ปฏิกิริยาเคมีได้

แบคทีเรียถูกทำลายอย่างไร?

– โพลิเมอร์ธรรมชาติดึงดูดแบคทีเรียที่ทำให้เกิดโรคเป็นอาหาร พวกเขาหลั่งสารพิเศษภายนอก – เอ็กโซเอนไซม์ ซึ่งสามารถทำลายโมเลกุลขนาดใหญ่ที่อยู่นอกเซลล์ของแบคทีเรียให้มีขนาดเล็กลง – โอลิโกเมอร์และโมโนเมอร์ แบคทีเรียกินพวกมัน เมื่อเมทริกซ์นาโนคอมโพสิตถูกตัดด้วยเอ็กโซเอนไซม์ อนุภาคนาโนซีลีเนียมจะถูกปลดปล่อยออกมา

พวกมันยึดติดกับพื้นผิวของเซลล์แบคทีเรียและทำหน้าที่เกี่ยวกับศักยภาพของเยื่อหุ้มเซลล์ นั่นคือ ประจุไฟฟ้าบนผิวเซลล์ เป็นผลให้ของเหลวจากสิ่งแวดล้อมเริ่มเข้าสู่เซลล์แบคทีเรียอย่างแข็งขันซึ่งนำไปสู่การแตกของแบคทีเรีย

ในเวลาเดียวกัน ทั้งอนุภาคนาโนซีลีเนียมและเมทริกซ์ไม่มีผลเสียต่อพืช ยิ่งไปกว่านั้น เราศึกษาสารหลายชนิด เช่น ซีลีเนียมนาโนคอมโพสิตในเมทริกซ์พอลิเมอร์ธรรมชาติต่างๆ และพบว่าสารเหล่านี้ยังกระตุ้นการเจริญเติบโตและการพัฒนาของพืช เพิ่มความต้านทานต่อไฟโตพาโทเจนในหลอดทดลอง นั่นคือ "ในหลอดทดลอง" และผลผลิตใน สภาพสนาม. การทดลอง.

ในขณะเดียวกันซีลีเนียมจะไม่สะสมในเนื้อเยื่อพืชหลังการบำบัดและไม่ส่งผลเสียต่อจุลินทรีย์ในดิน ซึ่งบ่งชี้ถึงความปลอดภัยในการใช้นาโนคอมโพสิต นอกจากนี้ยังเพิ่มคุณค่าทางโภชนาการของพืชเพิ่มความต้านทานต่อโรค ดังนั้นจึงปรากฎว่าซีลีเนียมนาโนคอมโพสิททำลายจุลินทรีย์ที่ทำให้เกิดโรคและนอกจากนี้ยังมีผลกระตุ้นการเจริญเติบโตของพืชโดยไม่ทำลายสิ่งแวดล้อม

• คุณทำงานในหัวข้อนี้มานานแค่ไหนแล้ว? คุณได้รับผลลัพธ์อะไรอีกบ้าง

– ฉันเริ่มค้นคว้าเกี่ยวกับฤทธิ์ทางชีวภาพของนาโนคอมโพสิททันทีหลังจากจบปริญญาเอก วิทยานิพนธ์ในปี 2013 ซีลีเนียมนาโนคอมโพสิตถูกสังเคราะห์โดยกลุ่มวิทยาศาสตร์ของ Boris Sukhov ที่สถาบันจลนพลศาสตร์และการเผาไหม้ของสาขาไซบีเรียของ Russian Academy of Sciences VV Voevodsky ในโนโวซีบีสค์ ที่สถาบันของเรา ฉันและเพื่อนร่วมงานมีส่วนร่วมในนาโนคอมโพสิต: Irina Graskova หัวหน้านักวิจัยของห้องปฏิบัติการปฏิสัมพันธ์ระหว่างพืชและจุลินทรีย์ ปริญญาเอกสาขาชีววิทยา Olga Nozhkina และ Anastasia Gazizova วิศวกรชั้นนำ ตลอดจนนักศึกษาคณะชีววิทยาและดิน ของ Irkutsk State University ซึ่งดำเนินการวิจัยภายใต้การดูแลของฉันสำหรับภาคนิพนธ์และวิทยานิพนธ์

เราได้ศึกษาผลกระทบของนาโนคอมโพสิตที่มีซีลีเนียมจำนวนหนึ่งในเมทริกซ์ต่อการงอกของหัวไชเท้า ถั่วเหลือง และมันฝรั่ง พบว่าในบางกรณีกระตุ้นการเจริญเติบโต เป็นเวลาสามปีตั้งแต่ปี 2020 ถึง 2022 ในการทดลองภาคสนาม เราศึกษาผลกระทบของซีลีเนียมนาโนคอมโพสิตต่อผลผลิตมันฝรั่ง และพบว่าพวกมันเพิ่มจำนวนหัวที่ได้จากพืชแต่ละชนิด

นอกจากนี้ เรายังค้นพบผลกระทบที่เป็นอันตรายของซีลีเนียมนาโนคอมโพสิตต่อแบคทีเรียหัวเน่าของมันฝรั่ง Clavibactersepedonicus และเชื้อก่อโรคใบไหม้ Phytophthora cactorum ซึ่งแพร่ระบาดในพืชหลากหลายชนิด ตั้งแต่ต้นแอปเปิลไปจนถึงดอกไม้

โรคใบไหม้เป็นโรคของพืชที่ใบเหลืองและเหี่ยวแห้งผลไม้เน่าบนเถาวัลย์และแม้แต่การตายของพืช มักพบในตัวแทนของตระกูลราตรี - นี่คือมะเขือเทศและมันฝรั่ง ตอนนี้เรากำลังศึกษาว่าการรักษาหัวมันฝรั่งล่วงหน้าด้วยซีลีเนียมนาโนคอมโพสิทมีผลต่อองค์ประกอบของจุลินทรีย์ (ไมโครไบโอม) ของหัวมันฝรั่งอย่างไร

เป็นเวลา 10 ปีที่ผ่านมา เราได้ศึกษาคอมโพสิตนาโนจำนวนหนึ่งที่มีพื้นฐานจากอนุภาคนาโนของโลหะ เช่น เงิน ทองแดง แมงกานีส เหล็ก รวมถึงส่วนผสมต่างๆ ได้รับข้อมูลใหม่ที่น่าสนใจตามที่นาโนคอมโพสิตบางชนิดมีฤทธิ์ทางชีวภาพสูงมาก: พวกมันกระตุ้นการเจริญเติบโตและการพัฒนาของพืชและมีฤทธิ์ต้านเชื้อแบคทีเรียสูง เราได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรการจดทะเบียนกิจกรรมทางชีวภาพของคอมโพสิตนาโนแมงกานีสแล้ว

– ผลการวิจัยของคุณจะเป็นที่ต้องการมากแค่ไหน?

– ทุกวันนี้ มีการหารือถึงการใช้นาโนเทคโนโลยีในด้านต่างๆ ของเศรษฐกิจของประเทศ ในทางการแพทย์และสัตวแพทยศาสตร์ อนุภาคนาโนได้ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการรักษาโรคมะเร็งและเป็นสารต้านอนุมูลอิสระ การใช้เทคโนโลยีนาโนในเคมีเกษตรมีแนวโน้มดีเนื่องจากมีการใช้สารที่มีอนุภาคนาโนในปริมาณน้อย ในขณะเดียวกัน ค่าใช้จ่ายก็เทียบได้กับน้ำยาฆ่าเชื้อทั่วไป และผลของการใช้อนุภาคนาโนก็สูงกว่ามาก เนื่องจากดินมีซีลีเนียมไม่ดี พืชจึงต้องการอาหารเสริมแร่ธาตุที่เหมาะสม อย่างไรก็ตามส่วนใหญ่ไม่ละลายในความชื้นในดินและถูกดูดซึมโดยพืช ดังนั้นความจำเป็นในการบำบัดวัสดุปลูกด้วยซีลีเนียมนาโนคอมโพสิตจึงชัดเจน

นอกจากนี้ ยังมีความรู้พื้นฐานไม่เพียงพอเกี่ยวกับผลกระทบของอนุภาคนาโนต่อสิ่งมีชีวิตในพืช จุลินทรีย์ก่อโรคพืช และความสัมพันธ์ระหว่างพืชกับจุลินทรีย์ การวิจัยของเราเติมเต็มช่องว่างเหล่านี้ เราได้ดำเนินการทดสอบในห้องปฏิบัติการและการทดลองภาคสนามเป็นจำนวนมาก ซึ่งทำให้เราเข้าใจปัญหาอย่างลึกซึ้งพอสมควร หากต้องการใช้ความรู้นี้ในทางปฏิบัติ จำเป็นต้องมีการอนุมัติจากบริษัทเกษตร เราจะทำสิ่งนี้เช่นกัน แต่ในภายหลัง งานดังกล่าวต้องใช้นาโนคอมโพสิตในปริมาณที่มากกว่าการศึกษาในห้องปฏิบัติการ นี่เป็นงานของนักเคมีสังเคราะห์