Сельское хозяйство сегодня испытывает двойную нагрузку: людям нужно больше безопасной еды, а климат становится все более непредсказуемым. Засухи, засоление почв и вспышки болезней уничтожают урожай по всему миру. Специалисты Томского государственного университета совместно с китайскими коллегами разрабатывают новый способ защиты растений, который основан только на природных соединениях.
Ученые создают своеобразную прививку от стрессовых факторов. Она объединит растительные сахара — олигосахариды — и мощные фитогормоны брассиностероиды.
«Традиционно в сельском хозяйстве для защиты растений и увеличения урожая используют синтетические удобрения и пестициды. Однако этот путь ведет к истощению почв и загрязнению водоемов, а главное — получаемая продукция может быть небезопасна для потребителей», — говорит руководитель проекта, доцент кафедры физиологии растений, биотехнологий и биоинформатики Биологического института ТГУ Марина Ефимова.
Новый подход исключает применение жесткой химии. Его суть в том, чтобы активировать собственный иммунитет растений с помощью специальных биокомпозиций. Основу этой пары составляют брассиностероиды и леван-производные олигосахариды.
«В отличие от животных, которые могут убежать от опасности или сменить территорию обитания, растения ведут прикрепленный образ жизни. Они вынуждены мириться с тем участком земли, на котором растут. С какими бы стрессами ни сталкивалось растение, в 99 процентах случаев повреждения на клеточном уровне будут обусловлены жестким дефицитом воды», — объясняет основной исполнитель проекта, старший научный сотрудник Высшей инженерной школы агробиотехнологий ТГУ Лилия Коломейчук.
Например, при заморозках свободная вода внутри клетки начинает превращаться в лед. Кристаллы расширяются и разрывают мембраны изнутри. После оттаивания поврежденные клетки теряют влагу, и растение погибает от обезвоживания.
Предотвратить гибель посадок можно, если заранее активизировать иммунитет. Для этого ученые проводят прайминг — от английского prime, что значит «подготавливать, настраивать». Это тренировка, которая готовит организм к стрессу. Защитный отклик сработает независимо от того, с чем именно столкнется растение — с засухой, холодом или болезнью.
«Прайминг, который мы проводим, — это обработка растений биокомпозициями из брассиностероидов и леванов. Молекулы левана обладают уникальной способностью притягивать и удерживать влагу. Располагаясь на внешней стороне клеточных мембран, они действуют как губка, создавая вокруг клетки защитный водный барьер. Это не дает воде хаотично кристаллизоваться при заморозках и защищает ткани от разрывов», — поясняет Марина Ефимова.
Брассиностероиды дают клетке команду на синтез специальных белков-шаперонов и антиоксидантных ферментов. Они нейтрализуют токсичные соединения, которые образуются в тканях при любых неблагоприятных факторах.
Ранее томские биологи уже протестировали два типа фитогормонов — 24-эпибрассинолид и 24-эпикастастерон. Они первыми в России использовали их для защиты ячменя, рапса, пшеницы и картофеля от засухи и тяжелых металлов. Китайские специалисты, в свою очередь, решили проблему плохой растворимости леванов. Вместо гигантских природных цепочек из более чем 400 тысяч мономеров они научились синтезировать ультракороткие соединения — всего из 10–12 звеньев. Такие леваны отлично растворяются в воде, что позволяет эффективно использовать их для опрыскивания и полива.
Задача нового российско-китайского проекта — не просто смешать фитогормоны и леваны, а найти их идеальную пропорцию, концентрацию и разработать технологии обработки для разных культур. В ходе экспериментов в России и Китае ученые протестируют эффективность биокомпозиций при засолении почвы, засухе, перепадах температур и воздействии патогенов. Для каждой культуры подберут наиболее действенные дозировки и методы обработки.
Изучение синергетического эффекта этих двух групп природных биорегуляторов открывает возможности для создания передовых отечественных агротехнологий. Это позволит аграриям получать стабильный урожай в любых погодных условиях и на разных территориях, включая зоны рискованного земледелия — Сибирь и Дальний Восток.
