Помогаем сельскому хозяйству стать умным и точным

Университет науки и технологий короля Абдаллы (KAUST)

изображение: Ученый-материаловед Катя Перес и ученый-растениевод Ягыз Алагез совместно разработали новые интеллектуальные материалы для повышения точности доставки микроэлементов сельскохозяйственным культурам.посмотреть больше

Фото: © 2023 КАУСТ.

Для удовлетворения растущего глобального спроса на продовольствие как с точки зрения количества, так и с точки зрения качества необходимо повысить продуктивность сельскохозяйственных культур и их пищевую ценность. Стратегия, изучаемая исследователями KAUST для решения этой проблемы, заключается в контролируемой доставке биоактивных молекул, таких как соединения, стимулирующие рост, и микроэлементов, которые можно хранить во фруктах или зерне, чтобы стимулировать стрессоустойчивость и повысить урожайность сельскохозяйственных культур и устойчивость к патогенам.

«Существует явная потребность в разработке интеллектуальных платформ для точной и контролируемой доставки агрохимикатов», — говорит ученый завода KAUST Салим Аль-Бабили.

«Помимо инкапсулирования удобрений, существует также необходимость инкапсулировать и доставлять минералы, которые действуют как микроэлементы для человека, такие как цинк, для повышения питательной ценности сельскохозяйственных культур».

Междисциплинарная группа под руководством к.т.н. студентка Катя Перес и постдок Ягиз Алагоз разработали новую формулу для разумной доставки синтетического имитатора регулятора роста заксинона (MiZax-3), который способствует росту растений с доказанной активностью стимулятора роста [1].

Биомиметическая минерализация с использованием цеолитовых имидазолатных каркасов (ZIF) является широко используемым методом инкапсулирования ряда химических веществ, от небольших гидрофобных молекул до крупных гидрофильных белков.

«За последнее десятилетие мы разработали ряд платформ, реагирующих на раздражители, которые могут инкапсулировать впечатляющее разнообразие грузов, от нейтральных небольших химикатов до заряженных биопрепаратов с высокой молекулярной массой», — говорит Хашаб.

Исследователи использовали цинксодержащий ZIF-8, наноразмерный металлоорганический каркас (MOF), который может эффективно загружать MiZax-3 в качестве платформы, сохраняя при этом его стабильность при высоких температурах, в реальных полевых условиях и высвобождая нагрузка MiZax-3 в зависимости от pH. Первоначально они протестировали новую формулу, которую назвали MiZIFs, в небольшом эксперименте, применив ее к рассаде томатов и проса в гидропонной среде. Применение МиЗИФ позволило повысить сырую массу рассады томата и проса, что указывает на способность комплекса МиЗИФ эффективно высвобождать биоактивный МиЗакс-3, который способствует росту растений на ранней стадии рассады.

Перес отмечает важность разработки новых интеллектуальных материалов, которые можно легко масштабировать для точной доставки микроэлементов. «Платформа MiZIFs дала нам возможность проводить больше трансляционных исследований», — объясняет она.

Обнадеживающие результаты побудили команду оценить эффективность MiZIF в полевых условиях, проведя небольшие полевые испытания с перцем. Сеянцы, обработанные МиЗакс-3 и МиЗИФами, имели достоверно большее количество цветочных почек, чем контроль. Кроме того, обработка ZIF-8, MiZax-3 и MiZIFs значительно увеличила высоту растений, наблюдаемую через шесть и восемь недель после первой обработки, и увеличила урожайность, зафиксированную при двух последовательных урожаях, по сравнению с контролем.

Исследователи предположили, что ионы Zn в каркасе (координирующие ионы) способствуют повышению производительности, наблюдаемому при обработке сельскохозяйственных культур ZIF-8 и MIZIF. Это согласуется с исследованиями других культур, показывающими влияние обработки наноразмерными металлами и микроэлементами на урожайность. Самое главное, что растения, обработанные MiZIF, показали почти двукратное увеличение содержания цинка в плодах, что очень многообещающе для обогащения микроэлементами, что указывает на положительное влияние инкапсулированного MiZax на усиление или транспортировку цинка из ризосферы в плоды.

Алагоз говорит, что эта работа открывает возможности использования других биосовместимых и экономически жизнеспособных систем координации для доставки конкретных микроэлементов в точном земледелии.