Новый путь доставки питательных веществ в растениях

Современное сельское хозяйство сталкивается с проблемами устойчивости производства пищи и использования воды. Из-за климатических изменений, роста населения и угроз для урожаев требуются новые решения, начиная с самого малого уровня.

При текущих методах до 95% вносимых микроэлементов и 99,9% пестицидов не достигают цели и тратятся впустую. Они накапливаются в почве, попадают в грунтовые воды, наносят экологический ущерб, ухудшают состояние почвы и ведут к потере воды и энергии, затраченных на их производство и внесение.

Исследователи под руководством профессора Грега Лоури и постдока Астрид Авеллан обнаружили способ нанесения наночастиц на листья растений, после чего те перемещаются по всему растению вплоть до корней. Результаты опубликованы в ACS Nano.

"Результаты нашей работы действительно могут изменить способ доставки агрохимикатов растениям", — заявил Лоури.

Это первое систематическое исследование того, как наночастицы перемещаются через лист в растение, к корню и выделяются в почву.

Как это работает:

Команда распылила на листья молодых растений пшеницы золотые наночастицы с полимерным покрытием. Золото было выбрано в качестве маркера, так как в растениях оно не встречается. Пшеница — важная культура, подверженная дефициту питательных веществ.

Путь наночастиц:

1. Проникновение через кутикулу (восковой внешний слой листа).
2. Преодоление эпидермиса.
3. Попадание во внутреннюю ткань листа (мезофилл).
4. Проникновение в сосудистую систему растения.
5. Транспортировка по стеблю в корень или в более высокие листья.

Впервые было показано, что, достигнув корней, наночастицы могут выделяться в почву, адсорбируясь в ризосфере — зоне взаимодействия корня с почвой. Существующие методы обработки ризосферы (внесение агрохимикатов в почву или с поливной водой) крайне неэффективны. Новая технология обеспечивает 100%-ную эффективность доставки, что снижает необходимое количество химикатов, их стоимость и загрязнение окружающей среды.

Потенциал технологии:

Частицы размером менее 50 нанометров могут стать ключом к устойчивому обеспечению продовольствием 10 миллиардов человек к 205 году.

• Лечение дефицита питательных веществ: Например, наночастицы оксида цинка, доставленные через лист к корням пшеницы в обеднённой цинком почве, могут выделиться в ризосферу и оздоровить и почву, и растение.
• Доставка антибиотиков: Наночастицы с антибиотиками, попав в сосудистую систему через лист, могут лечить или предотвращать системные бактериальные заболевания растений.
• Преимущества перед традиционными химикатами: Наночастицы можно проектировать с заданными свойствами: способностью удерживаться на листе, реагировать на влагу или свет. Они могут использоваться в меньших количествах и быть безопаснее для окружающей среды и здоровья человека.

Эта работа — часть более масштабной цели по созданию «атомно-эффективного» сельского хозяйства (где каждый внесённый атом используется, а не тратится впустую) и борьбе с глобальными вызовами, такими как продовольственная безопасность.

"Нам нужно производить на 80% больше пищи, на той же площади земли, с меньшим загрязнением. Это потребует смены парадигмы в сельском хозяйстве, и мы пытаемся в этом помочь", — говорит Лоури.