Защита сельскохозяйственных культур от вредителей и патогенов без использования токсичных пестицидов является давней целью фермеров. Исследователи из Института Бойса Томпсона обнаружили, что соединения из маловероятного источника - микроскопических почвенных круглых червей - могут достичь этой цели.
Как описано в исследовании, опубликованном в выпуске Journal of Phytopathology за май 2019 года, эти соединения помогли защитить основные сельскохозяйственные культуры от различных патогенов и, таким образом, могут сэкономить миллиарды долларов и повысить устойчивость сельского хозяйства во всем мире.
Под руководством старшего научного сотрудника BTI Мурли Манохара команда профессоров Даниэля Клессига и Фрэнка Шредера исследовала влияние метаболита аскариды под названием ascr18 на здоровье растений.
Ascr18 является членом семейства феромонов аскарозидов, которые вырабатываются многими обитающими в почве видами круглых червей для химической коммуникации.
Исследователи обработали растения сои (Glycine max), риса (Oryza sativa), пшеницы (Triticum aestivum) и кукурузы (Zea mays) небольшими количествами ascr18, а затем заразили растения вирусом, бактериями., грибок или оокмицет.
При исследовании через несколько дней растения, обработанные ascr18, оказались значительно более устойчивыми к патогенам по сравнению с необработанными растениями.
«Корни растений постоянно подвергаются воздействию круглых червей в почве, поэтому вполне логично, что растения эволюционировали, чтобы чувствовать вредителей и активировать свою иммунную систему в ожидании нападения», - говорит Шредер.
Поскольку они укрепляют иммунную систему растений, а не убивают вредителей и патогены, аскарозиды не являются пестицидами. В результате они, вероятно, будут намного безопаснее, чем многие современные средства борьбы с вредителями и патогенами.
«Аскарозиды - это природные соединения, которые кажутся безопасными для растений, животных, человека и окружающей среды», - говорит Клесиг. «Я считаю, что таким образом они могли бы обеспечить растениям более безвредную для окружающей среды защиту от вредителей и патогенов».
В предыдущей работе Клесиг и Шредер продемонстрировали, что ascr18 и другие аскарозиды повышают устойчивость к вредителям и патогенам у томатов, картофеля, ячменя и арабидопсиса.
«Распространяя работу на основные сельскохозяйственные культуры и концентрируясь на их наиболее значимых патогенах, это исследование устанавливает потенциал аскарозидов для увеличения сельскохозяйственного производства во всем мире», - говорит Клессиг.
Действительно, рис является самым важным продуктом питания почти для половины населения мира. Ascr18 обеспечивал защиту от Xanthomonas oryzae pv. oryzae, бактерия, вызывающая потери урожая на 10-50% в азиатских странах.
Пшеница близка к рису по важности в качестве основного продукта питания, и ascr18 защитил ее от Zymoseptoria tritici, грибка, который является одним из самых тяжелых лиственных заболеваний сельскохозяйственных культур.
Кукуруза является наиболее широко выращиваемой зерновой культурой в Северной и Южной Америке, имеющей большое значение для производства продуктов питания, биотоплива и корма для животных. Ascr18 обеспечивает защиту от Cochliobolus heterostrophus, грибкового патогена, вызывающего южную пятнистость листьев кукурузы.
Соя - это основная высокобелковая и богатая маслом семенная культура, используемая в качестве источника пищи для людей и животных. Ascr18 защищал соевые бобы от Phytophthora sojae, оомицета, который может убить зараженные растения за несколько дней, а также от бактериального патогена Pseudomonas syringae pv glycinea и вируса мозаики сои.
Чрезвычайно малых концентраций аскарозидов достаточно, чтобы придать растениям устойчивость к патогенам. Интересно, что оптимальная концентрация, по-видимому, зависит от вида растения, а не от патогена.
Исследователи считают, что причина того, что разные виды растений имеют разные оптимальные дозировки, вероятно, связана с рецепторами растительной клетки для ascr18. Различные виды растений могут экспрессировать различное количество рецепторов ascr18, и рецепторы могут иметь различное сродство к аскарозидам. Такие различия могут повлиять на количество ascr18, необходимого для активации иммунной системы растения.
В настоящее время группа работает над определением молекулярных механизмов того, как аскарозиды стимулируют иммунную систему растения.
Эти открытия коммерциализируются BTI и стартап-компанией из Корнелла, Ascribe Bioscience, в виде семейства продуктов для защиты растений под названием PhytalixTM.
"Эта работа является отличным примером того, как Институт использует наши технологии в новых стартапах, что является важной стратегической инициативой BTI", - говорит Пол Дебби, директор BTI по развитию нового бизнеса. «Институт гордится возможностью разрабатывать инновационные технологии в партнерстве с новой компанией, которая оказывает положительное влияние на экономику здесь, в нашем местном сообществе, и в штате Нью-Йорк."