Исследователи обнаружили, что коммерческие пестициды можно применять к культурам семейства Cucurbitaceae, чтобы уменьшить накопление в них гидрофобных загрязнителей (1), тем самым повышая безопасность урожая. В состав исследовательской группы входили ФУДЖИТА Кентаро (аспирант 1-го курса) Высшей школы сельскохозяйственных наук Университета Кобе, научный сотрудник ЁШИХАРА Рёхей (ныне доцент Университета Сайтама) и доцент ИНУИ Хидэюки из Исследовательского центра биосигналов Университета Кобе. Старший научный сотрудник КОНДО Ясумицу, технический персонал ХОНДА Каори и директор группы ОСАДА Хироюки из RIKEN, а также ведущий научный сотрудник ХАГА Юки и старший научный сотрудник МАЦУМУРА Чисато из Института экологических наук префектуры Хёго.
Команда разработала два подхода к контролю функций растительных белков, связанных с переносом гидрофобных загрязнителей.
Эти открытия приведут к использованию этих новых функций пестицидов в сельском хозяйстве, что позволит выращивать более безопасные культуры.
Эти результаты были опубликованы в Интернете в международном научном журнале Science of the Total Environment 23 июня и в журнале «Загрязнение окружающей среды» 18 июля.
Основные моменты
- Культуры семейства тыквенных могут накапливать гидрофобные загрязнители (например, диоксины) в своих плодах из загрязненной почвы. Основные латексоподобные белки (MLP) (2) играют ключевую роль в переносе гидрофобных загрязнителей к плодам.
- Подход 1: Обработка пестицидом, подавляющим экспрессию гена MLP, снижает концентрацию гидрофобных загрязнителей в ксилемном соке.
- Подход 2: Обработка пестицидом, который связывается с MLP, ингибирует связывание белков с гидрофобными загрязнителями. Таким образом, концентрации гидрофобных загрязнителей в ксилемном соке, которые транспортировались через MLP, были снижены.
- Было показано, что пестициды могут обеспечить простое и недорогое решение для выращивания более безопасных культур.
- Это исследование впервые в мире выявило новый способ использования пестицидов в сельском хозяйстве, который отличается от нынешних методов.
Исследования
Гидрофобные загрязнители включают диоксины, инсектицид дильдрин и эндокринные разрушители. Эти загрязнители очень токсичны, и их производство и использование в настоящее время запрещены. Однако эти вещества использовались в больших количествах до тех пор, пока они не были запрещены, вызывая широкомасштабное загрязнение окружающей среды, которое также влияет на сельскохозяйственные угодья.
Семейство Cucurbitaceae включает такие культуры, как огурцы и кабачки. Представители этого семейства отличаются от других видов растений тем, что в их плодах накапливаются высокие концентрации гидрофобных загрязнителей. Доцент Инуи и др. ранее было обнаружено, что основные латексоподобные белки (MLP) в семействе Cucurbitaceae играют ключевую роль в этом накоплении. MLP связываются с гидрофобными загрязнителями, поглощаемыми из почвы корнями растения. Семейство Cucurbitaceae затем накапливает гидрофобные загрязнители в листьях и плодах через сок в стеблях. Следовательно, MLP являются основным фактором, вызывающим загрязнение сельскохозяйственных культур семейства Cucurbitaceae.
Когда обнаруживается, что в культурах накапливаются гидрофобные загрязнители выше остаточного предела, все культуры, выращенные на одной и той же земле, не могут быть проданы, что приводит к большим экономическим потерям для производителя. По этой причине было проведено много исследований способов удаления гидрофобных загрязнителей из сельскохозяйственных почв, однако экономически эффективный и эффективный метод еще не найден. Поэтому возникает острая необходимость в разработке технологии выращивания более безопасных культур на пахотных землях, загрязненных гидрофобными загрязнителями.
Методология исследования
Это исследование было сосредоточено на пестицидах, безопасность которых подтверждена. Исследователи опробовали два подхода, предназначенных для подавления накопления гидрофобных загрязнителей через MLP: использование «пестицида, который подавляет экспрессию генов MLP» и «пестицида, связывающего MLP». Они стремились выращивать более безопасные бахчевые культуры.
Подход 1 (опубликовано в «Науке об окружающей среде в целом»)
Применение пестицида, который подавляет экспрессию гена MLP, снижает концентрацию MLP в корнях и ксилемном соке (3). Это говорит о том, что концентрация гидрофобных загрязнителей, накапливающихся в плодах через MLP, также будет снижена.
Во-первых, были проведены эксперименты по выбору пестицида, который мог бы подавлять экспрессию гена MLP, из пяти типов пестицидов, используемых на семействе Cucurbitaceae (инсектициды Guardbait, Starkle и Diazinon и фунгициды Benlate и Daconil). Даконил был выбран потому, что лечение показало, что его активный ингредиент (4) может снижать экспрессию гена MLP. Затем было подтверждено, что концентрация MLP в корнях и ксилемном соке кабачков, выращенных в почве, загрязненной гидрофобными загрязнителями, снижалась при обработке даконилом. Кроме того, концентрация гидрофобных поллютантов в ксилемном соке снизилась на 52%.
Подход 2 (опубликовано в «Загрязнение окружающей среды»)
Применение MLP-связывающего пестицида ингибирует связывание MLP с гидрофобными загрязнителями в корнях. Другими словами, количество MLP, которые связываются с загрязняющими веществами, уменьшается. Было высказано предположение, что этот подход снизит концентрацию гидрофобных загрязнителей, накапливающихся в плодах, через МЛП.
Во-первых, химические массивы (5) с примерно 22 000 соединений из RIKEN NPDepo (6) использовались для идентификации соединений, связывающихся с MLP. Инсектицид Colt, который можно применять к культурам семейства Cucurbitaceae, был выбран из коммерческих пестицидов со структурой, аналогичной MLP-связывающим соединениям. Когда активный ингредиент Colt прореагировал как с MLP, так и с гидрофобными загрязнителями, концентрация MLP, связанных с этими загрязнителями, уменьшилась на 78%. Кроме того, концентрация этих загрязняющих веществ в ксилемном соке после обработки Кольтом снизилась на 15%.
Дальнейшие исследования
Это исследование впервые в мире показало, что можно выращивать более безопасные культуры на загрязненной почве, контролируя функции растений. Это достижение может сократить количество случаев, когда производители несут экономические потери из-за невозможности продать урожай, выращенный на загрязненной почве. Кроме того, это также обеспечит потребителей безопасной продукцией.
Это исследование выявило новый метод использования пестицидов. Это исследование впервые в мире выявило новый аспект пестицидов, выходящий за рамки их первоначальных функций по предотвращению роста вредителей или сорняков. Считается, что пестициды чрезвычайно безопасны, потому что они должны пройти многочисленные строгие тесты на безопасность. Кроме того, стандартизированная обработка сельскохозяйственных культур пестицидами проста и недорога. Поэтому ожидается, что метод, разработанный в этом исследовании для снижения гидрофобных загрязнителей с помощью пестицидов, получит широкое распространение во всем мире.
Глоссарий
1. Гидрофобные загрязнители:
Гидрофобные загрязнители - это химические вещества, которые с трудом разлагаются в окружающей среде и легко накапливаются в организмах. Они очень токсичны, и было показано, что они канцерогенны и нейротоксичны для человека. Гидрофобные загрязнители включают диоксины, полихлорированные бифенилы и дильдрин. Их использование и производство запрещено в 181 стране.
2. Основной латексоподобный белок (MLP):
Этот белок содержится во многих видах растений, включая Arabidopsis thaliana, виноград и яблоню. В частности, в семействе Cucurbitaceae MLP связываются с гидрофобными загрязнителями, перенося их к листьям и плодам, где эти загрязнители затем накапливаются. Первоначальные функции этих белков еще полностью не выяснены.
3. Ксилемный сок:
Ксилемный сок представляет собой жидкость, находящуюся в ксилеме, которая вместе с флоэмой является частью сосудистого пучка. Он переносит воду и питательные вещества, поглощенные корнями, к листьям и плодам.
4. Действующее вещество:
Химическое вещество в коммерческом пестициде, выполняющее основную функцию продукта (например, инсектицид или фунгицид). Пестициды также содержат ингредиенты, отличные от их активного ингредиента, такие как распространяющие агенты, которые обеспечивают прилипание активного ингредиента к растениям или вредителям. Это исследование подтвердило, что активные ингредиенты пестицидов могут контролировать функции MLP.
5. Химический массив:
Органическое химическое соединение иммобилизуется на чипе, что позволяет проводить высокоэффективную оценку физического взаимодействия соединения с интересующими белками. Трудно иммобилизовать различные типы и сложные структуры органических соединений по сравнению с иммобилизацией одноструктурной ДНК для ДНК-чипов. Исследовательская группа по химической биологии RIKEN разработала метод иммобилизации с использованием карбена с неспецифической авидностью (двухвалентный углерод, который имеет только 6 валентных электронов и не имеет заряда), который будет связываться с соединением независимо от его функциональной группы.
6. RIKEN NPDepo (депозитарий природных продуктов):
Библиотека химических соединений, разрабатываемая Исследовательским отделом по разработке химических ресурсов Исследовательской группы химической биологии RIKEN. Помимо сбора и хранения природных соединений, выделенных из таких источников, как актинобактерии, они также принимают депозиты от исследователей, чтобы создать библиотеку разнообразных химических соединений.