Наночастицы как стерилизующие агенты для замены антибиотиков в фитопроизводстве

Учёные НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из Воронежа и Тамбова разработали простой и эффективный препарат для защиты in vitro-сеянцев от фитопатогенов. Малые дозы наночастиц оксида меди в его составе работают как иммуностимулятор растений. В результате учёные планируют получить препарат, который увеличит количество получаемого посадочного материала. Результаты работы опубликованы в международном научном журнале Nanomaterials.

Современные методы массового фитопроизводства включают получение посадочного материала древесных растений методом клонального микроразмножения in vitro. Этот метод вегетативного размножения позволяет получать новые растения, генетически идентичные исходному образцу, в лабораторном сосуде или другой контролируемой среде.

С новой технологией есть сложности: питательные среды для фитоклонов создают идеальные условия для роста микробов, поэтому новые растения необходимо создавать и поддерживать в полной стерильности. Для снижения риска контаминации растений, размножаемых in vitro, всё чаще используют антибиотики.

Однако наряду с бактерицидным эффектом антибиотики могут оказывать токсическое действие на ткани растений, угнетать их рост и развитие. Кроме того, микроорганизмы могут адаптироваться к биоцидным препаратам путём мутаций, что приводит к резистентности фитопатогенов. По мнению российских учёных, использование наночастиц в качестве стерилизующих агентов может стать безопасной альтернативой антибиотикам.

Коллектив исследователей из НИТУ «МИСиС», Воронежского государственного лесотехнического университета имени Г.Ф. Морозова и Тамбовского государственного университета имени Г. Р. Державина поставил цель оценить влияние наночастиц оксида меди на рост колоний спорообразующих плесневых грибов, а также на продукцию генов стрессоустойчивости у клонов берёзы in vitro при заражении фитопатогенами.

«Как мы и ожидали, наночастицы оксида меди оказывали выраженное противогрибковое действие на фитопатогены в культуре растений, что согласуется с результатами ряда предыдущих исследований. В качестве возможных механизмов этого явления мы предполагаем как диффузию ионов меди, являющихся антимикробным агентом, так и специфические нанотоксические эффекты, такие как индукция окислительного стресса или повреждение клеточной мембраны», — отметила эксперт кафедры функциональных наносистем и высокотемпературных материалов НИТУ «МИСиС» Ольга Захарова.

Интересно, что, по словам разработчиков, максимальная стерильность растений наблюдалась при самой низкой из изученных концентраций наночастиц. Учёные предполагают, что эффект достигается не за счёт прямого уничтожения фитопатогенных микроорганизмов наночастицами, а опосредованно — через стимуляцию иммунитета сеянцев.

«Наночастицы в низких концентрациях могут вызывать умеренный стресс у растений, одной из реакций на который является изменение их биохимического статуса. Начинают вырабатываться такие соединения, как пероксидазы и полифенолы, входящие в систему неспецифической защиты растений от фитопатогенных микроорганизмов. При этом увеличение концентрации наночастиц усиливает “нано”-индуцированный стресс, и общая эффективность адаптации растений к стрессу начинает снижаться, что в конечном итоге проявляется уменьшением количества жизнеспособных микроклонов при максимальной концентрации наночастиц», — добавила Ольга Захарова.

По мнению исследователей, полученные данные подтверждают перспективность использования наночастиц оксида меди для оптимизации технологии выращивания растений in vitro. Следующий этап проекта — точное выявление механизмов, с помощью которых наночастицы воздействуют на растения и фитопатогены.