Найден способ повышения иммунитета растений с помощью сахарных молекул
Биологи Томского госуниверситета (ТГУ) совместно с китайскими коллегами разработали новый способ активизации иммунитета растений при помощи олигосахаридов, полученных из полисахарида левана. Метод позволяет защищать культуры без использования пестицидов и уже протестирован на дынях и арбузах.
В условиях глобальной трансформации климата, который становится все жарче и суше, жизнь растений усложняется. Вместе с тем, такие условия благоприятны для многих патогенов и насекомых-вредителей. Химические пестициды и фунгициды, которые использовались в сельском хозяйстве для защиты урожая, все менее востребованы — они растут в цене, вредны для человека, при этом эффективность таких препаратов снижается.
«Сейчас растения все чаще подвергаются абиотическим стрессам, включая засуху, нехватку влаги, засоление и загрязнение тяжелыми металлами, и биотическим видам стресса, таким как воздействие грибов, бактерий, вирусов, насекомых и т.д. Эти факторы, особенно когда они возникают в совокупности, приводят к значительному снижению урожаев сельскохозяйственных культур. Совместно с коллегами из Китая мы занимаемся разработкой новых подходов, которые позволят защитить растения от разных видов стресса с помощью экологичных инструментов. В частности, для того чтобы активизировать иммунитет растений, мы проводим прайминг (предварительную обработку) леванами», — рассказала один из авторов статьи, старший научный сотрудник ВИША ТГУ Лилия Коломейчик.
Эти вещества продуцируют растения и некоторые микроорганизмы. Молекулы левана очень длинные, они состоят из 416 000 мономеров, поэтому плохо растворимы, что ограничивает их применение в аграрной практике. Ученые из Китая разработали технологию синтеза коротких молекул олигосахаридов левана (LOS), в которых всего от двух до десяти мономеров. Такие «малыши» хорошо растворимы и сохраняют иммуномодулирующие свойства исходного полимера.
В рамках научных экспериментов, проведенных на арбузах и дынях, ученые оценивали способность левана защитить эти бахчевые культуры от Botrytis cinerea (возбудитель серой гнили) и Phytophthora capsica — псевдогриба, вызывающего фитофтороз, корневую и плодовую гниль не только у арбузов и дынь, но и у других бахчевых, включая кабачки и тыкву.
Авторы протестировали LOS на пяти сортах дыни и пяти сортах арбуза. Семена прорастали в песке, саженцы опрыскивали LOS, через 72 часа растения «инфицировали» либо B. cinerea, либо P. capsici, а через 42 часа оценивали степень поражения листьев. Результат оказался селективным: против P. capsici LOS заметно повысил устойчивость и дыни, и арбуза, но против B. cinerea значимого эффекта не дал.
Помимо защиты, обработка LOS улучшала некоторые параметры качества: увеличивалось содержание хлорофилла в листьях и растворимых сухих веществ в плодах арбуза — то есть действие были двойным: и защита, и повышение качества.
«Обработка LOS действует как «тревожный сигнал» для растения. Клетки растения распознают чужеродные или поврежденные молекулы через специальные рецепторы и запускают цепочку защитных реакций: быстрый выброс активных форм кислорода, приток ионов кальция, активация сигнальных каскадов. Это приводит к усилению барьеров (например, отложению лигнина), повышению активности ферментов, связанных с защитой, и общей подготовленности растения к стрессу. В отдельных системах LOS также проявлял прямое антимикробное действие, но в случае дыни и арбуза основной эффект — это активация иммунитета и усиление экспрессии защитных генов», — объяснила еще один автор исследования, доцент кафедры физиологии растений, биотехнологий и биоинформатики БИ ТГУ Марина Ефимова.
Ученые отмечают, что LOS можно применять как внекорневые опрыскивания, замачивание семян или погружение корней – то есть интегрировать в агротехнику без серьезных изменений. Если дальнейшие испытания подтвердят эффективность и безопасность, LOS может стать частью стратегии устойчивого земледелия, снижая зависимость от химии и помогая культурам выживать в условиях, которые создает меняющийся климат.