Specjalne cząsteczki termiczne ochronią rośliny przed zimnem
Dla niektórych roślin fale zimna są szczególnie wyniszczające. Zatem poprawa odporności na niskie temperatury może zwiększyć produktywność, wydłużyć okres wegetacji i umożliwić uprawę na obszarach, na których wcześniej istniało ryzyko szkód wywołanych przymrozkiem. Z kolei w szerszym ujęciu może przyczynić się do poprawy bezpieczeństwa żywnościowego. Uczeni skupieni wokół finansowanego przez Unię Europejską projektu BoostCrop zidentyfikowali naturalnie występujące cząsteczki wytwarzające ciepło, które można stosować w uprawach polowych. „Nazywamy je »grzejnikami molekularnymi« – działają podobnie jak koce termiczne, chroniąc uprawy przed nagłymi falami zimna”, wyjaśnia koordynator projektu Vasilios Stavros, profesor chemii fizycznej na Uniwersytecie w Birmingham w Zjednoczonym Królestwie. „Udało nam się zidentyfikować specyficzną cząsteczkę obecną w roślinach, która pochłania światło w określonych regionach widma, co nie zakłóca procesu fotosyntezy. Roślina przekształca tę energię świetlną w ciepło, które jest następnie rozprowadzane na liściach”. „To była nasza wyjściowa molekuła. Wiedzieliśmy, że jest nietoksyczna, więc pomyśleliśmy, że na podstawie tej naturalnej cząsteczki spróbujemy zaprojektować nowe molekuły, które można by użyć w formie sprayu dolistnego”.
Bioinspirowane cząsteczki ciepła wsparciem dla wzrostu roślin
Nad projektem pracowali wspólnie chemicy, fizycy i biolodzy, którzy ponadto nawiązali współpracę z firmą agrotechniczną z sektora MŚP. Korzystając z pomocy chemika, który pracował nad stworzeniem cząsteczek inspirowanych naturą, zespół poszukiwał sposobu na zaprojektowanie nowych cząsteczek, tak by skutecznie przekształcały światło w energię cieplną na liściach. Wykorzystując połączenie zielonej chemii syntetycznej, spektroskopii i modelowania teoretycznego, uczeni opracowali szereg nowych cząsteczek i przetestowali je w symulowanych warunkach w komorze wegetacyjnej.
Selekcja cząsteczek kandydatów
„W warunkach laboratoryjnych udało nam się wykazać, że po zastosowaniu cząsteczki – pod wpływem promieniowania UV-A/B – nastąpił znaczący wzrost temperatury zarówno rośliny, jak i liścia”, zauważa Stavros. „Odkryliśmy, że szybka przemiana energii cząsteczek na ciepło ma kluczowe znaczenie dla skuteczności technologii ogrzewania molekularnego”. Wcześniejszy projekt sfinansowany ze środków UE – NatuCrop – dotyczył naturalnej ochrony upraw przed wysokimi temperaturami i innymi czynnikami stresogennymi w celu poprawy wielkości plonów. Stavros wyjaśnia jednak, że niektóre potencjalne „grzejniki molekularne” były prawie niemożliwe do zsyntetyzowania w laboratorium. Inne okazały się toksyczne i musiały zostać odrzucone, tak że na koniec zostały trzy nowe cząsteczki, które przeszły wszystkie wstępne testy bezpieczeństwa. Cząsteczki kandydujące musiały być następnie opracowane w formie produktu, który mógłby być rozpylany na rośliny i rozprowadzany równomiernie wzdłuż liścia bez tworzenia się pęcherzyków. Kolejnym wymogiem dla nowego preparatu była stabilność utrzymująca się przez około 2 lata w pojemniku. Problem stanowi jednak fakt, że niektóre cząsteczki kandydujące rozpadają się lub ulegają degradacji po 2–3 godzinach ekspozycji na promieniowanie, co również czyniłoby je bezużytecznymi w terenie.
Badania na polach uprawnych
Po przeprowadzeniu testów w laboratorium cząsteczki kandydujące zostały poddane badaniom polowym. Częściowo odbyły się one w Hiszpanii na plantacjach pomidorów, ogórków i sałaty, a częściowo w Niemczech na uprawach pszenicy jarej, kukurydzy i buraków cukrowych. Przez długie tygodnie trwania tych eksperymentów biolodzy monitorowali cząsteczki, które powodowały największe zmiany temperatury. Niestety, badania polowe zakłóciła pandemia COVID-19. Problemem był fakt, że prace musiały być wykonane o konkretnej porze roku, kiedy pojawiają się fale przymrozków powodujące uszkodzenia. Stavros dodaje: „Z powodu pandemii COVID straciliśmy dwa sezony wzrostu”. Niemniej jednak podczas tych badań uczeni odnotowali większe plony, które okazały się równie wysokie lub nawet wyższe niż w przypadku zastosowania komercyjnych biostymulatorów. Zanim ten pięcioletni projekt dobiegł końca, „Zdołaliśmy zsyntetyzować nawet kilogram interesującej nas cząsteczki i przeprowadzić udane badania polowe, co naprawdę robi wrażenie”, podkreśla Stavros. Jak dodaje, kolejnym etapem będzie wprowadzenie produktu na rynek – wstępna analiza kosztów pokazuje, że będzie to przedsięwzięcie opłacalne.
Słowa kluczowe
BoostCrop, odporność, naturalna cząsteczka, zielona chemia, spektroskopia, szkody wskutek mrozu, uprawa, plon
