Учёные «пролили» свет на микробов

21.02.2020



Модифицированные светопреобразующие покрытия в виде текстильного материала или спанбонда для грядок в поле впервые предложили использовать в Институте теоретической и экспериментальной биофизики (ИТЭБ) Российской академии наук (РАН). Опыты показали, что укрытые таким материалом сельскохозяйственные культуры быстрее растут и требуют меньше воды. Исследуя механизмы фотобиостимуляции растений под этим модифицированным агротекстилем, учёные сделали важные выводы. Результаты опубликованы в журнале OpticsExpress (Q-1).

Светопреобразующие текстильные покрытия для растений, которые разрабатывают и испытывают учёные ИТЭБ РАН совместно с коллегами из Института фундаментальных проблем биологии РАН, Института биофизики клетки РАН, Института синтетических полимерных материалов РАН и НИЦ Курчатовский институт, должны создавать оптимальный спектральный состав солнечного света для роста растений. В данной работе эффект светоконверсии достигается за счёт того, что в состав агротекстиля введены фотолюминофорные частицы, которые преобразуют часть солнечного ультрафиолетового излучения в красный свет. Эксперименты показали, что укрытые таким материалом растения заметно быстрее развиваються. В опыте с рассадой капусты и салата наблюдалась прибавка биомассы на 30-40 % по сравнению с такими же растениями, укрытыми обычным спанбондом, который широко используется в растениеводстве. Такой результат был достигнут за счёт более эффективного фотосинтеза (поглощения СО2) листьями растений. Помимо этого растения в опыте продемонстрировали уменьшение скорости транспирации листа, что может быть полезным при засушливом климате.

Фундаментальный результат исследования – приближение к пониманию возможных биологических механизмов, за счет которых происходит заметная фотобиостимуляция растений.

«С помощью наших материалов, если сравнивать их с обычным спанбондом, в целом энергетический спектр солнца меняется незначительно, поэтому пока приходиться эмпирически устанавливать закономерности, которые объясняли бы взаимосвязи дополнительного люминесцентного красного света и роста растений. Понимание механизмов этого явления открывает новые возможности к его управлению, а значит, и «программированию» урожайности культур, - отмечает один из авторов исследования, ведущий научный сотрудник ИТЭБ РАН Роберт Храмов.

В процессе отработки разных гипотез ученым пришлось проанализировать данные не только из биологии и физики, но и из области биотехнологиии медицины. В результате они пришли к выводу, что наиболее вероятный механизм «включения» процессов фотобиостимуляции растений может быть обусловлен за счет фотоактивации микробиома растений.

Но как свет доходит до корней через непрозрачную почву и стимулирует бактерии не только в тонком слое на поверхности? «В недавних исследованиях корейских ученых показано, что стебли растения работают как световоды преимущественно дальнего красного света. При освещении растения такой свет достигает корней. Мы предположили, что проникновение света в корень приводит к тому, что микроорганизмы, живущие на нем или рядом с ним, каким-то образом могут отслеживать сигнальный дальний красный свет и настраиваться на него», - поясняет Роберт Храмов.

Исследователи убеждены, что в ближайшие годы микробиом станет одним из ведущих объектов изучения в науках о жизни. То, что его представителей не видно невооруженным глазом, и каждый из них считается условно слабым, компенсируется их высокой чувствительностью, изменчивостью, скоростью деления и разнообразием.

Среди других прорывных результатов уже ближе к области спортивной физиологии и медицины ученый отмечает эксперименты ученых из Тайваня, которые выделили из квашеной капусты штамм лактобактерий и добавили его в пищевой рацион мышей. Это привело к рекордному повышению физической выносливости мышей почти в 5 раз через 6 недель. Для сравнения этими же учеными показано, что даже легендарные корешки-стимуляторы женьшеня или астаксантин (мощнейший суперантиоксидант, получаемый из микроводорослей) повышают выносливость мышей не более чем в 2 раза. Большие перспективы также связывают с возможным переходом на антибиотики нового типа, продуцируемые собственным микробиомом кишечника человека и животных, который должен дружить с человеческим организмом по определению заданным эволюцией. Для достижения того или иного результата нам нужно уметь целенаправленно дополнять букет микробиома кишечника нужными штаммами и находить способы, чтобы они прижились в организме.

С растениями, видимо, ситуация похожа. Роберт Храмов отмечает, что поверхность корешков растений можно даже сравнить с поверхностью слизистой кишечника: именно на этих границах происходят главные события симбиотического взаимодействия микро- и макроорганизмов. Это хорошо иллюстрирует работа казанских микробиологов, в которой впервые показано, что инокуляция корней пшеницы уже другим штаммом лактобактерий приводит к снижению окислительного стресса растений по типу обезвоживания. Таким образом, сформулирована новая сверхзадача будущих исследований: научиться управлять микробиомами с помощью света и ключи к этому процессу откроют новые горизонты в самых разных областях науки и жизнедеятельности.

Источник: Robert N. Khramov,Vladimir D. Kreslavski, Evgeniya A.Svidchenko, Nikolay M. Surin, and an A.Kosobryukhov. Influence of photoluminophore-modified agrotextile spunbond on growth and photosynthesisof cabbage and lettuce plants. Optics Expres, Vol. 27, No. 22 /2019 / s 319 https://www.osapublishing.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-27-22-31967

(jpg, 40 Kб)

На фото: ведущий научный сотрудник Лаборатории тканевой инженерии, ИТЭБ РАН, к.ф-м.н. Роберт Храмов.
Фото пресс-службы ИТЭБ РАН.

Материал подготовила: Наталья Быкова
Пресс-служба ИТЭБ РАН, iteb-press@yandex.ru


©РАН 2020