Na UJ powstał nowy środek przeciw chorobom grzybowym roślin

dr Magdalena Skóra z Collegium Medicum UJ

Naukowcy z Uniwersytetu Jagiellońskiego opracowali preparat, który może stać się efektywnym środkiem przeciwgrzybowym dla roślin uprawnych. Rozwiązanie w pełni bazuje na substancjach pochodzenia naturalnego, co oznacza, że potencjalnie może znaleźć zastosowanie zarówno w masowych uprawach rolnych, jak i ekologicznych.

Choroby grzybowe są dużym zagrożeniem dla upraw rolnych, gdyż zmniejszają plonowanie. Ilość skutecznie działających przeciwgrzybowo środków stosowanych w rolnictwie z każdym rokiem maleje, ponieważ niektóre z nich są wycofywane z rynku ze względu na niepożądane działanie na środowisko. Wobec kurczącej się bazy dostępnych środków przeciwgrzybowych coraz częściej spotyka się wzrost oporności szczepów grzybów na dostępne preparaty. Ten problem się nasila, dlatego powinno się go szybko rozwiązać. W przeciwnym wypadku w najbliższych latach choroby mykotyczne roślin będą przyczyniać się do zmniejszenia produkcji rolnej, a w konsekwencji do wzrostu cen żywności i wystąpienia ograniczeń w jej dostępności.

Beta-glukany w służbie ochrony roślin

Zaproponowane przez naukowców z UJ rozwiązanie bazuje na beta-glukanach pozyskiwanych z ziaren zbóż. Beta-glukany to polisacharydy, powstałe z połączenia setek lub tysięcy cząsteczek glukozy. W środowisku naturalnym występują powszechnie w ścianach komórkowych m.in. zbóż i grzybów. Jako jeden ze składników rozpuszczalnego błonnika pokarmowego beta-glukany wykazują różne właściwości prozdrowotne, m.in. wspierają odporność i obniżają poziom cholesterolu.

– Opracowany przez nas preparat bazuje na polimerowych cząsteczkach beta-glukanów, do których przyłączamy aminy czwartorzędowe. Aminy te charakteryzują się tym, że zawierają ładunek dodatni niezależnie od pH. To właśnie ten ładunek jest kluczowy dla aktywności przeciwgrzybowej tak zmodyfikowanego beta-glukanu – wyjaśnia dr hab. Kamil Kamiński, prof. UJ z Zakładu Chemii Fizycznej i Elektrochemii na Wydziale Chemii UJ, współtwórca technologii.

Od strony technicznej przygotowanie preparatu jest prostym procesem realizowanym w wodzie, a sama reakcja nie generuje bardzo toksycznych odpadów i nie wymaga znacznych nakładów energii, co czyni tę technologię potencjalnie bardziej atrakcyjną dla rynku.

Optymistyczne rezultaty badań i większe plonowanie

Dotychczas naukowcy prowadzili badania w laboratorium i na polu – na uprawach jęczmienia i pszenżyta. Preparat zadziałał na grzyby Puccinia hordei wywołujące rdzę jęczmienną oraz Blumeria graminis odpowiedzialne za chorobę mączniaka prawdziwego zbóż. Wykazywał również aktywność antymykotyczną wobec rodzaju Fusarium, obejmującego liczne gatunki stanowiące poważne patogeny roślin uprawnych.

– Grzyby, na które silnie działa preparat, w naszej szerokości geograficznej odpowiadają za najczęściej występujące infekcje grzybicze zbóż i zarazem najbardziej destrukcyjne, jeżeli chodzi o opłacalność upraw. W naszych badaniach zastosowanie nowego preparatu prowadziło do około 50-procentowego zahamowania infekcji grzybowych w porównaniu z grupą kontrolną. Jest to poziom uzyskiwany przez ekologiczne preparaty obecnie stosowane w rolnictwie – mówi współtwórczyni wynalazku, dr Magdalena Skóra z Zakładu Kontroli Zakażeń i Mykologii na Wydziale Lekarskim Uniwersytetu Jagiellońskiego Collegium Medicum.

– Skuteczność hamowania infekcji wywołanej przez grzyby jest porównywalna z zastosowanym kontrolnie heksaglukonianem miedzi, używanym w rolnictwie jako środek przeciwgrzybowy. Co bardzo ważne, podczas badań na polach eksperymentalnych odkryliśmy, że stosowanie naszego preparatu przyczyniło się do zwiększenia plonowania aż o około 20 procent w porównaniu do upraw nietraktowanych żadnymi przeciwgrzybowymi środkami ochrony roślin – dodaje dr hab. Kamil Kamiński.

Zespół naukowy nie potwierdził jeszcze istoty mechanizmu działania przeciwgrzybowego. Badacze są jednak przekonani, że obserwowany efekt najprawdopodobniej wynika z oddziaływania elektrostatycznego między dodatnio naładowanymi cząstkami beta‑glukanu a ujemnie naładowanymi zewnętrznymi warstwami komórek grzybowych. Dodatkowy wpływ ma również swoista organizacja i skład chemiczny ściany i błony komórkowej grzybów, które znacząco różnią się od budowy komórek innych organizmów. Przyszłe badania mają potwierdzić tę tezę.

Potencjalne zastosowanie

Na obecnym etapie badań można stwierdzić, iż preparat znajdzie zastosowanie jako nowy środek przeciwgrzybowy dla roślin najszerzej uprawianych w Polsce, a więc pszenicy, jęczmienia i pszenżyta. Wstępne wyniki laboratoryjne sugerują, że proponowane rozwiązanie może zadziałać też przeciw grzybom atakującym ziemniaki i pomidory. Dziś jednak nie sposób wskazać wszystkie typy upraw i szkodniki, gdzie preparat może znaleźć zastosowanie. Zakres działania oraz skuteczność jest przedmiotem prowadzonych aktualnie dalszych badań.

Preparat w postaci roztworu wodnego można stosować na dowolnym racjonalnym etapie rozwoju zboża. Podaje się go w formie oprysku z wykorzystaniem narzędzi stosowanych przy aplikacji standardowych środków ochrony roślin.

– Tego typu środki ochrony roślin stosuje się optymalnie w warunkach sprzyjających presji infekcji grzybowych, gdy istnieje realne ryzyko rozpoczęcia lub nasilenia choroby – dodaje dr Magdalena Skóra.

Brak toksyczności

Zespół badaczy przeprowadził już wstępne badania toksyczności opracowanego preparatu, między innymi na owadach (larwy ćmy Galleria mellonella) oraz na ssaczych liniach komórkowych. W obu przypadkach nie wykazano negatywnego oddziaływania. Warto podkreślić, że preparat w całości bazuje na składnikach pochodzenia naturalnego. Beta-glukany mają nie tylko udokumentowane działanie prozdrowotne, ale jako substancje są biodegradowalne. Poza tym są one od lat powszechnie stosowane zarówno w dietetyce, jak i przemyśle kosmetycznym i w branżach tych nie ma doniesień o ich negatywnych własnościach.

W drodze na rynek

Nowa technologia została objęta ochroną prawną, a za jej komercjalizację odpowiada Centrum Transferu Technologii CITTRU, UJ. Po zakończeniu obecnie prowadzonych badań, które zakończą się jeszcze w tym roku, uczelnia planuje wprowadzić preparat na rynek.

– Obecnie prowadzone są badania, które mają pogłębić wiedzę o możliwości stosowania tego wynalazku. Naukowcy na polowych uprawach eksperymentalnych badają między innymi synergiczne działanie preparatu łącząc go z innymi środkami ochrony roślin stosowanymi obecnie w rolnictwie. Po zakończeniu tych prac planujemy pozyskać jednego lub więcej partnerów z branży produkcji środków ochrony roślin, którzy w oparciu o swoje doświadczenie rynkowe i możliwości dystrybucyjne umożliwią nam możliwie szybkie wprowadzenie preparatu do użytku – mówi dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał, dyrektorka CITTRU, UJ.

Rosnąca oporność grzybów na środki chemiczne

Wiedza na temat szkodliwości środków ochrony roślin w ostatnich latach wzrosła i instytucje regulatorowe zabraniają stosowania kolejnych pestycydów używanych jeszcze pod koniec ubiegłego stulecia. Należy się spodziewać, że w ciągu najbliższych kilkunastu lat kolejne preparaty z obecnie stosowanych w rolnictwie będą w UE zabronione. W użytku pozostaną jedynie środki, które bazują na siarce i miedzi. Jeżeli w tym samym okresie zjawisko rosnącej oporności grzybów na pestycydy będzie się nasilać, możliwe, że każdy nowy pod względem składu chemicznego preparat będzie najskuteczniejszy, ponieważ grzyby nie będą jeszcze na niego uodpornione.

– Siłą proponowanego przez nas preparatu jest to, że nikt wcześniej nie używał tego typu związku w takich aplikacjach. To oznacza, że nie będziemy mieli do czynienia z mechanizmami szybkiego uodporniania się na nie szkodników upraw – podsumowuje dr hab. Kamil Kamiński.

Rozwiązanie powstało w ramach badań interdyscyplinarnego zespołu pod kierownictwem dr hab. Kamila Kamińskiego z Zakładu Chemii Fizycznej i Elektrochemii na Wydziale Chemii UJ oraz dr Magdaleny Skóry z Zakładu Kontroli Zakażeń i Mykologii na Wydziale Lekarskim Uniwersytetu Jagiellońskiego Collegium Medicum.

(gz)