Door de chemie van nanomaterialen af te stemmen, verandert de respons van planten op schimmelpathogenen
In sojabonenplanten, de Fusarium virguliforme schimmel maakt de bladeren vlekkerig (zie foto) en leidt tot het “plotselinge doodssyndroom”, een belangrijke ziekte in Noord-Amerika die de oogstopbrengst beperkt.
De kans is groot dat de meeste – zo niet alle – producten in uw keuken worden bedreigd door schimmelziekten. De dreiging dreigt groot voor voedselproducten van de wereld, zoals rijst, tarwe, aardappelen en maïs (SN: 22/09/05). Ziekteverwekkende schimmels komen ook voor onze koffie, suikerriet, bananen en andere economisch belangrijke gewassen. Jaarlijks vernietigen schimmelziekten een derde van alle oogsten en vormen ze een ernstige bedreiging voor de wereldwijde voedselzekerheid.
Om de verspreiding van schimmelziekten te stoppen, ontsmetten boeren de grond met giftige chemicaliën die het land verwoesten en zelfs de nuttige microben die in de aarde wemelen niet sparen. Of ze bekleden planten met fungiciden. Maar het gebruik van fungiciden is alleen effectief op korte termijn – totdat de pathogene schimmels resistentie ontwikkelen tegen deze synthetische chemicaliën.
Nu schiet een nieuw idee wortel: help planten hun mannetje te staan door ze de tools te geven om hun eigen veldslagen te voeren. Een team onder leiding van Jason White, een milieutoxicoloog bij het Connecticut Agricultural Experiment Station in New Haven, versterkt gewassen met voedingsstoffen die zijn verwerkt in verpakkingen met nanogrootte, die de aangeboren immuniteit van planten tegen pathogene schimmels efficiënter versterken dan traditionele plantenvoeding. De onderzoekers hebben de afgelopen jaren verschillende brouwsels van nanonutriënten bedacht die de schimmelresistentie van sojabonen versterken, tomaten, watermeloenen en recentelijk aubergines, zoals gerapporteerd in de april Plantenziekte.
Het concept “pakt de uitdaging bij de oorsprong aan in plaats van te proberen een pleister op de [problem]”, Zegt Leanne Gilbertson, een milieutechnicus aan de Universiteit van Pittsburgh die niet bij het onderzoek betrokken was. White’s strategie voorziet planten van de voedingsstoffen die ze nodig hebben om de enzymproductie op gang te brengen om ze te beschermen tegen pathogene aanvallen. Zonder de introductie van synthetische chemicaliën, omzeilt de strategie elke kans voor kwaadaardige schimmels om resistentie te ontwikkelen, zegt ze.
De nanomaterialenbenadering van de onderzoekers is geïnspireerd op hun eerdere ontdekking dat nanodeeltjes die vanuit de wortels van maïs worden getransporteerd, terug kunnen lopen vanuit de bladeren. De onderzoekers doopten de helft van de wortelvezels van een enkele maïsplant in een koperen nanodeeltjesformulering en de andere helft in zuiver water. Het koper verscheen in de met water gedompelde wortels, wijzend naar een heen en terug van wortels naar schiet naar wortelsRapporteerden White en zijn collega’s in 2012 in Milieuwetenschap en -technologie. Die bevinding suggereerde dat nanodeeltjes überhaupt rechtstreeks op de bladeren kunnen worden aangebracht, zelfs als de doelbestemming de wortels waren.
Door de bladeren als toegangspunt te gebruiken, wordt een eeuwigdurend probleem omzeild: het leveren van opgeloste voedingsstoffen door de bodem is nauwelijks efficiënt. Chemicaliën kunnen in de bodem worden afgebroken, in de atmosfeer verdampen of wegspoelen. Slechts ongeveer 20 procent van de bewaterde voedingsstoffen bereikt uiteindelijk de doelgebieden in een plant. “Door de vorm op nanoschaal te gebruiken, kunnen we daadwerkelijk effectiever leveren [nutrients] waar we het willen en waar de plant het nodig heeft ”, zegt White.
Om te zien of deze aanpak voedingsstoffen zou kunnen opleveren die specifiek nodig zijn ter verdediging tegen vijandige schimmels, voerden White en collega’s tests uit in aubergines en tomaten. Het team spoot metalen nanodeeltjes op de bladeren en scheuten van jonge planten en infecteerde de planten vervolgens met pathogene schimmels. De met nanodeeltjes behandelde planten hadden verhoogde niveaus van voedingsmetalen in de wortels en hogere opbrengsten vergeleken met de planten die gemakkelijk opgeloste voedingsstoffen kregen, meldde het team in 2016 in Milieuwetenschappen: Nano.
De nanodeeltjes waren niet schadelijk voor de schimmels, ontdekten de onderzoekers: de schimmels gedijen nog steeds te midden van nanodeeltjes in de omgeving zonder dat de waardplant aanwezig was. In plaats daarvan komen de schimmelwerende eigenschappen van de nanodeeltjes voort uit het verstrekken van plantenvoeding – vergelijkbaar met dat mensen voedingssupplementen nemen – waardoor planten op verzoek een geschikte verdediging kunnen opbouwen.
Wat nanonutriënten krachtiger maakt dan gewone meststoffen, is de sweet spot in hun afmetingen, die bepaalt hoe snel ze oplossen, zegt Fabienne Schwab, een milieuchemicus die niet bij het onderzoek betrokken is. Nanonutriënten zijn duizenden keren kleiner dan de diameter van mensenhaar en duizenden keren groter dan gemakkelijk opgeloste voedingszouten. Ze hebben een groot, bloot oppervlak, dus ze lossen sneller op dan een zwaarder stuk van dezelfde voedingsstof. Toch zijn nanonutriënten zo groot dat ze niet allemaal in één keer oplossen: ze kunnen de voedingsstoffen gedurende weken geleidelijk afgeven. Daarentegen geven gemakkelijk opgeloste voedingsstoffen planten een tijdelijke voedingspiek, vergelijkbaar met een suikerbui.
“Wanneer je gebruikt [nutrients] op nanoschaal kun je de oplosbaarheid zo goed als je wilt afstemmen ”, zegt Schwab van het Adolphe Merkle Instituut in Fribourg, Zwitserland.
Het is niet alleen de grootte die kan worden aangepast – de vorm, samenstelling en oppervlaktechemie kunnen worden aangepast om verschillende niveaus van de reacties van een plant te stimuleren. White en zijn medewerkers ontdekten bijvoorbeeld dat nanometerdunne koperoxidevellen beter waren dan bolvormige koperen nanodeeltjes bij het voorkomen van Fusarium virguliforme infectie bij sojabonen. De sleutel tot hun effectiviteit lag in de snellere afgifte van geladen koperatomen door de nanobladen en een sterkere hechting aan bladoppervlakken. De koperen nanomaterialen hersteld de massa en fotosynthese van de sojabonen tot de niveaus van ziektevrije planten, rapporteerde het team in Natuur Nanotechnologie in 2020.
“Het is een veelbelovende technologie”, zegt Schwab, maar ze voegt eraan toe dat er nog andere aspecten zijn waarmee je rekening moet houden voordat de technologie wordt geïmplementeerd. Als agrarische nanotechnologie op grote schaal moet worden gebruikt, moet het milieu- en veiligheidsvoorschriften naleven en – misschien zelfs nog uitdagender – de behoedzaamheid van de consument overwinnen. Tot dusver hebben White en zijn medewerkers geen resterende nanonutriënten in hun producten gevonden die op de eettafel van de consument zouden belanden. Maar andere implicaties, zoals de persistentie van nanomaterialen in het milieu en de gevaren voor menselijke handelaars, moeten nog volledig worden begrepen.
“Mensen worden in het algemeen zenuwachtig als je praat over nanotechnologie en voedsel”, zegt White. Maar hij zegt dat zijn groep geen exotische materialen gebruikt, waarvan de gevolgen voor de gezondheid complete raadsels blijven. In plaats daarvan “gebruiken we voedingsstoffen die de planten nodig hebben [that] ze kunnen er gewoon geen genoeg van krijgen. “
White zegt dat hij de aubergines, tomaten en watermeloenen heeft opgegeten die hij heeft verbouwd voor zijn onderzoek. En misschien is dat de beste geruststelling die consumenten kunnen krijgen: een toxicoloog die de letterlijke vrucht van zijn werk probeert.
