Nutrienții la scară nanometrică pot proteja plantele de bolile fungice

Sunt șanse ca majoritatea – dacă nu toate – produsele din bucătărie să fie amenințate de boli fungice. Amenințarea este mare pentru alimente de bază ale lumii, cum ar fi orezul, grâul, cartofii și porumbul (SN: 22/09/05). Ciupercile patogene vin și pentru cafeaua, trestia de zahăr, bananele și alte culturi importante din punct de vedere economic. Anual, bolile fungice distrug o treime din toate recoltele și reprezintă o amenințare gravă la adresa securității alimentare globale.

Pentru a opri răspândirea bolilor fungice, fermierii fumigează solul cu substanțe chimice toxice care dezvăluie pământul, fără a cruța nici măcar microbii benefici din pământ. Sau pun plantele cu fungicide. Dar utilizarea fungicidelor este eficientă doar pe termen scurt – până când ciupercile patogene dezvoltă rezistență împotriva acestor substanțe chimice sintetice.

Acum, o nouă idee prinde rădăcini: Ajută plantele să-și mențină terenul, oferindu-le instrumentele pentru a-și lupta propriile bătălii. O echipă condusă de Jason White, toxicolog de mediu la Stația de experimente agricole din Connecticut din New Haven, întărește culturile cu nutrienți transformați în pachete de dimensiuni nanometrice, care sporesc imunitatea înnăscută a plantelor împotriva ciupercilor patogene mai eficient decât hrănirea tradițională a plantelor. În ultimii câțiva ani, cercetătorii au conceput diverse amestecuri de nanonutrienți care sporesc rezistența fungică a boabelor de soia, roșiilor, pepenilor verzi și, recent, vinetelor, așa cum sa raportat în aprilie. Boala plantelor.

Conceptul „abordează provocarea de la origine, mai degrabă decât să încerce să pună un leucoaniu pe [problem]”, spune Leanne Gilbertson, inginer de mediu la Universitatea din Pittsburgh, care nu a fost implicat în cercetare. Strategia lui White oferă plantelor nutrienții de care au nevoie pentru a declanșa producția de enzime pentru a se proteja de atacul patogen. Fără nicio substanță chimică sintetică introdusă, strategia ocolește orice oportunitate ca ciupercile maligne să dezvolte rezistențe, spune ea.

Abordarea cercetătorilor în materie de nanomateriale este inspirată de descoperirea lor anterioară conform căreia nanoparticulele transportate de la rădăcinile porumbului se pot întoarce înapoi din frunze. Cercetătorii au scufundat jumătate din fibrele rădăcinilor unei singure plante de porumb într-o formulă de nanoparticule de cupru, iar cealaltă jumătate în apă pură. Cuprul a apărut în rădăcinile scufundate în apă, arătând către o călătorie dus-întors de la rădăcini la trage la rădăcini, au raportat White și colegii săi în 2012 în Știința și Tehnologia Mediului. Această descoperire a sugerat că nanoparticulele pot fi aplicate direct pe frunze, în primul rând, chiar și atunci când destinația țintă au fost rădăcinile.

Folosirea frunzelor ca punct de intrare rezolvă o problemă perenă: livrarea nutrienților dizolvați prin sol nu este eficientă. Substanțele chimice se pot descompune în sol, se pot vaporiza în atmosferă sau se pot scurge. Doar aproximativ 20% din nutrienții udați ajung în cele din urmă în zonele țintă dintr-o plantă. „Prin utilizarea formei la scară nanometrică, putem livra de fapt mai eficient [nutrients] unde vrem noi și unde planta are nevoie de ea”, spune White.

Pentru a vedea dacă această abordare ar putea furniza nutrienții necesari în mod special pentru apărarea împotriva ciupercilor ostile, White și colegii săi au efectuat teste pe vinete și roșii. Echipa a pulverizat nanoparticule metalice pe frunzele și lăstarii plantelor tinere, apoi a infectat plantele cu ciuperci patogene. Plantele tratate cu nanoparticule aveau niveluri ridicate de metale nutritive în rădăcini și producții mai mari în comparație cu plantele hrănite cu nutrienți ușor dizolvați, a raportat echipa în 2016 în Știința mediului: Nano.

Cercetătorii au descoperit că nanoparticulele nu dăunau ciupercilor: ciupercile încă prosperau în mijlocul nanoparticulelor din mediu fără planta gazdă prezentă. În schimb, proprietățile antifungice ale nanoparticulelor provin din furnizarea de hrană pentru plante – echivalentă cu suplimentele nutritive de către oameni – care le permite plantelor să monteze o apărare adecvată la cerere.

Ceea ce face ca nanonutrienții să fie mai puternici decât îngrășămintele obișnuite este punctul dulce al dimensiunilor lor, care controlează cât de repede se dizolvă, spune Fabienne Schwab, un chimist de mediu care nu este implicat în cercetare. Nanonutrienții sunt de mii de ori mai mici decât diametrul părului uman și de mii de ori mai mari decât sărurile nutritive ușor dizolvate. Au o suprafață mare, expusă, așa că se dizolvă mai repede decât o bucată mai consistentă din același nutrient. Cu toate acestea, nanonutrienții sunt suficient de mari încât să nu se dizolve toți deodată: pot elibera treptat nutrienții de-a lungul săptămânilor. În schimb, nutrienții ușor dizolvați dau plantelor un vârf temporar de nutrienți, asemănător cu o papură de zahăr.

„Când folosești [nutrients] la scară nanometrică, puteți regla solubilitatea cam așa cum doriți”, spune Schwab, de la Institutul Adolphe Merkle din Fribourg, Elveția.

Nu este doar dimensiunea care poate fi reglată – forma, compoziția și chimia suprafeței pot fi modificate pentru a stimula diferite niveluri de răspuns ale unei plante. De exemplu, White și colaboratorii săi au descoperit că foile de oxid de cupru subțiri de nanometri sunt mai bune decât nanoparticulele sferice de cupru la prevenirea Fusarium virguliforme infecție la soia. Cheia eficacității lor constă în eliberarea mai rapidă de către nanofoi a atomilor de cupru încărcați și aderența mai puternică la suprafețele frunzelor. Nanomaterialele de cupru au restabilit masele de soia și ratele de fotosinteză la nivelurile plantelor fără boli, a raportat echipa în Nanotehnologia naturii în 2020.

„Este o tehnologie foarte promițătoare”, spune Schwab, dar ea adaugă că există și alte aspecte de luat în considerare înainte de implementarea ei. Pentru ca nanotehnologia agricolă să obțină o utilizare pe scară largă, trebuie să respecte reglementările de mediu și de siguranță, precum și – poate și mai provocator – să învingă precauția consumatorilor. Până acum, White și colaboratorii săi nu au găsit nanonutrienți reziduali în produsele lor care să ajungă pe masa consumatorilor. Dar alte implicații, cum ar fi persistența nanomaterialelor în mediu și pericolele prezentate pentru manipulatorii umani, nu au fost încă pe deplin înțelese.

„Oamenii în general devin nervoși când vorbești despre nanotehnologie și alimente”, spune White. Dar el spune că grupul său nu folosește materiale exotice, ale căror impacturi asupra sănătății rămân enigme complete. În schimb, „folosim nutrienții de care au nevoie plantele [that] pur și simplu nu se pot sătura.”

White spune că a mâncat vinetele, roșiile și pepenele verde pe care le-a cultivat pentru cercetările sale. Și poate că aceasta este cea mai bună asigurare pe care o pot obține consumatorii: un toxicolog care încearcă fructul literal al muncii sale.