Наночастицы могут снимать тепловой стресс с растений

Наночастицы могут снимать тепловой стресс с растений

Изображение предоставлено: Университет Карнеги-Меллона

Новое исследование показывает, что нанотехнологии могут помочь защитить растения от теплового стресса, вызванного резкими температурами и продолжительными волнами тепла. Этот прорыв является следующим шагом в области, условно именуемой «растительная терапия», которая может произвести революцию в сельском хозяйстве.

Любой начинающий садовник расскажет вам о том, как сложно защитить планеты в жаркую погоду. В то время как некоторые растения, такие как суккуленты, такие как семейство кактусов, хорошо приспособлены к высоким температурам, другие не могут экономить воду и в жарких условиях и начнут увядать, засыхать или даже умирать. Поскольку в результате изменения климата волны тепла становятся все более распространенными и более устойчивыми, эта проблема представляет собой больше, чем простое неудобство.

В очень жаркую погоду многие овощные культуры могут вызывать серьезные проблемы в производстве, угрожая экономике, а в развивающихся странах – здоровью сообществ и людей. Крайне необходим новый и эффективный способ борьбы с тепловым стрессом.

К счастью, новое исследование, опубликованное в журналах ACS Nano и Nature Food предполагает, что нанотехнологии могут быть использованы для решения этой растущей проблемы, помогая защитить растения и сельскохозяйственные культуры от теплового стресса.

Авторы, включая Грега Лоури из отдела гражданской и экологической инженерии, описывают создание наночастиц (NP) и покрытий из наночастиц, которые в сочетании с подходящими полимерами можно наносить на листья растений с поглощением 99% доставляющих агентов. которые могут предоставить растениям по запросу «средства для снятия теплового стресса».

Лоури описывает этот прорыв как следующий шаг в развитии новой области «терапии растений». Работая в этой области, Лоури и его команда, включая Боба Тилтона из «Химической инженерии», стремятся «иммунизировать» планеты против некоторых из них. стрессы, оказывающие давление на сельское хозяйство, а именно сильная жара и засуха. Их недавнее исследование представляет собой первую практическую демонстрацию высвобождения антимикробного агента с запрограммированной температурой в растении.

«Длительные высокие температуры могут вызывать стресс у сельскохозяйственных культур», – говорит Тилтон в пресс-релизе. «Наши материалы разработаны таким образом, чтобы они могли связывать вещества, снимающие тепловое напряжение, и высвобождать их внутри установки по требованию, когда становится очень жарко».

Наночастицы и звездчатые полимеры для снятия напряжения

Наночастицы, которые разработала команда, представляют собой новую форму звездообразного полимера – простой класс разветвленных полимеров с линейными цепями, отходящими от центрального ядра, каждый из которых содержит кристаллический фиолетовый (CV). Этот CV представляет собой модельное противомикробное средство, которое может попадать в растение при достижении им определенной температуры – от 20 ° C до 40 ° C в зависимости от уровня pH.

Для проведения своих исследований ученые распыляли НЧ на листья растения томата, наблюдая степень поглощения в диапазоне 99% – уровень поглощения намного выше, чем в настоящее время предпочитаемые методы доставки агентов. После этого применения НЧ смогли циркулировать по всему предприятию в течение последующих трех дней. Запрограммированное высвобождение CV происходило с растениями, когда температура достигала 35–40 ° C, что запускало свойства высвобождения НЧ.

Прелесть системы, описанной выше, заключается в том, что НЧ бездействуют до тех пор, пока они не потребуются, когда температура резко повысится или возникнет волна тепла. Только в это время полимеры высвобождают CV в растение, давая ему импульс, необходимый для предотвращения теплового стресса.

Лоури и Тилтон не планируют отказываться от недавно разработанной модальности. Они планируют гораздо глубже изучить растительную терапию, разработав аналогичные агенты, которые могли бы бороться с опасными патогенами во время приступов теплового стресса или даже полностью предотвратить тепловой стресс, стимулируя фотосинтез внутри рассматриваемых растений.

«Полимеры с качественно схожими характеристиками были исследованы на предмет использования в качестве средств доставки лекарств для лечения», – говорит Тилтон.

Конечно, условия, в которых должны работать средства доставки лекарств и агрохимические носители, и типы физических и химических сигналов, которые можно использовать для высвобождения активных агентов в ответ на стимул, совершенно разные. Ключевым моментом было создание наших транспортных средств с правильными химическими свойствами, подходящими для защиты растений.

Боб Тилтон, профессор Chevron, химическая инженерия, биомедицинская инженерия, CMU

Несмотря на эти первоначальные положительные результаты, если нанотехнология хочет сделать скачок из лабораторий исследователей на поля фермеров, необходимо провести гораздо больше испытаний, чтобы продемонстрировать, что ее можно эффективно и экономично «масштабировать» с нескольких заводов. ко всему урожаю. И, конечно же, дальнейшее тестирование потребует гораздо больших финансовых вложений.

Подобные результаты, полученные Лоури и его командой, демонстрируют, что применение нанотехнологий в мире сельского хозяйства для решения растущих проблем, таких как повышение температуры, потеря пахотных земель, рост населения и нехватка воды, есть – если мы хочу это.

Источники и дополнительная информация

Чжан. Ю., Ян. Дж. Лоури. Г. В. и др., [2020]«Температурные и pH-чувствительные звездчатые полимеры как наноносители с потенциалом для агрохимической доставки in vivo», ACS NANO.

Хофманн. Т., Лоури. Г. В., Гошал. С. и др. [2020]«Технологическая готовность и преодоление препятствий для устойчивого внедрения растениеводства с использованием нанотехнологий», Nature Food.

Source link