Необычный метод защиты растений от атак почвенных патогенов с помощью слабых электрических полей предложили ученые
Продовольственной безопасности угрожают значительные потери урожая из-за вредоносных патогенов, ряд которых находится в почве. Так, патогенный оомицет Phytophthora palmivora поражает многие плантационные культуры, включая какао, кокос, масличную пальму и другие, и обходится более чем в 1 миллиард долларов США в год. К сожалению, в настоящее время против этого патогена нет плана профилактики, что подчеркивает острую необходимость в эффективном решении.
эксклюзив 🔹
Гемибиотрофный патоген-оомицет, эндемичный для тропических зон, Phytophthora palmivora, поражает более 200 видов растений и вызывает до 90% потерь урожая при среднегодовых расходах более 1 млрд. долл. США для плантационных культур. Основные симптомы включают гниение плодов и корней, и в настоящее время не существует профилактической стратегии защиты урожая. Поэтому разработка эффективного профилактического метода является неотложной задачей.
Заражение плантаций P. palmivora происходит в основном в сезон дождей или во время орошения. Это происходит потому, что заражение инициируется подвижными зооспорами, которым требуется жидкий субстрат, чтобы подплыть к корням растения и прикрепиться к ним.
Затем следует прорастание и рост мицелия внутри ткани хозяина. Цикл завершается, когда плодовое тело оомицета (спорангий) развивается и высвобождает больше зооспор. Примечательной характеристикой зооспор P. palmivora является их электротактическое поведение при воздействии слабого электрического поля (ЭП): зооспоры накапливаются на положительном электроде, и скорость прорастания увеличивается.
Электротаксис зооспор приобретает актуальность, если учесть, что корни растений демонстрируют эндогенное биоэлектрическое поле, генерирующее внешние ионные токи между апикальной корневой меристемой (более отрицательно заряженной) и проксимальной зоной удлинения (более положительно заряженной).
Интересно, что эндогенные биоэлектрические поля растений участвуют в различных биотических взаимодействиях, и было показано, что зооспоры P. palmivora преимущественно прикрепляются к положительно заряженной зоне корней какао.
Научная группа доктора Джованни Сены кафедры естественных наук Имперского колледжа Лондона в новом исследовании предлагает и проверяет гипотезу о том, что искусственные ЭП могут быть использованы для нарушения естественного биоэлектрического взаимодействия между зооспорами и корнями, чтобы отвести зооспоры от корней растений и, таким образом, действовать как система защиты урожая.
В своей работе они описывают новую установку для выполнения и количественной оценки корневых инфекций P. palmivora в гидропонике в присутствии внешних ЭП, а также характеризуют влияние различных интенсивностей и конфигураций внешних ЭП на различные стадии корневой инфекции в модельных системах растений Arabidopsis thaliana и Medicago truncatula. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.
Группа показала, что размещение устройства, генерирующего такое поле, вблизи корней модельных растений действительно может значительно сократить количество спор, прикрепляющихся к ним.
«Мы разработали установку и два оригинальных эксперимента для изучения влияния слабых электрических полей на взаимодействие между зооспорами P. palmivora и корнями Arabidopsis thaliana и Medicago truncatula. В первой конфигурации создается глобальное искусственное электрическое поле, вызывающее ионные токи, охватывающие корни растений, тогда как во второй конфигурации ионные токи индуцируются только локально и на расстоянии от корней. В обоих случаях мы обнаружили, что слабые ионные токи (250–550 мкА) достаточны для снижения прикрепления зооспор к корням Arabidopsis и Medicago, не влияя на здоровье растений. Более того, мы показываем, что те же конфигурации снижают рост мицелия P. palmivora в корнях Medicago через 24 часа. Мы приходим к выводу, что ионные токи могут снижать более чем одну стадию заражения корней P. palmivora в гидропонике. В целом, наши результаты показывают, что слабые внешние электрические поля могут использоваться в качестве устойчивой стратегии для предотвращения заражения P. palmivora, обеспечивая инновационные перспективы для защиты сельскохозяйственных культур», сообщают ученые.
Доктор Сена подчеркнул: «Эти захватывающие результаты открывают возможность разработки новых инструментов для защиты сельскохозяйственных культур, основанных на биоэлектрических взаимодействиях хозяина и патогена и не требующих генетических модификаций или пестицидов».
Источник: Imperial College London.
На заглавном фото вы видите схему 3D-печатной установки V-box для анализа корневой инфекции с зооспорами P. palmivora в присутствии внешних электрических полей. Отрицательные и положительные электроды подключены к внешнему источнику питания. (A) Установка глобального электрического поля. Корни окутаны постоянным ионным током. (B) Установка локального электрического поля. Электроды установлены в фиктивном корне, расположенном с одной стороны V-box, поэтому корни не окутаны ионным током. (C) Фиктивный корень, используемый для создания локального электрического поля, с прорезями, используемыми для вставки положительных и отрицательных электродов. Фото: Scientific Reports (2024). DOI: 10.1038/s41598-024-68730-y.
