Ученые из Манчестерского университета создали модель восковой поверхности листа, аналогичную той, что есть у пшеницы, в рамках проекта, поддерживаемого агрохимической компанией Syngenta. В настоящее время они используют модель в исследовательском центре ISIS по источникам нейтронов и мюонов Совета по науке и технологиям, чтобы изучить, как поверхностно-активные вещества, ключевой компонент в составах пестицидов, взаимодействуют с поверхностью листьев, попадая в растение и оказывая свое действие.Это первый раз, когда кто-либо использовал извлеченный воск для воссоздания воскового щита, который растения используют для защиты от вредителей и потери воды. Новый инструмент позволяет ученым изучать, как пестициды преодолевают восковой барьер на листьях таких культур, как пшеница и ячмень.
Этот прорыв — еще один шаг на пути к точной настройке химических веществ, используемых в сельском хозяйстве, для оптимизации урожайности без повреждения растений в попытке удовлетворить потребность в кормлении постоянно растущего населения мира.Результаты, озаглавленные «Структурные особенности пленок восстановленного пшеничного воска», были опубликованы в журнале Королевского общества Interface.Восковые кутикулы необходимы для благополучия всех растений.
Кутикула, состоящая из тонкого слоя воска на листьях растений, действует как защитный щит от нападения вредителей, предотвращает потерю питательных веществ и воды из растений и участвует в транспортировке воды и питательных веществ по поверхности растения для роста растений. .Чтобы добавить дополнительный уровень защиты от вредителей, фермеры используют пестициды на своих культурах, пытаясь максимизировать урожай.Джулиан Голд, менеджер фермы Hendred Estate в Оксфордшире, сказал: «Фермеры собирают солнечный свет, и выращивание сельскохозяйственных культур направлено на превращение как можно большего количества солнечной энергии в пищу посредством фотосинтеза. Пестициды играют жизненно важную роль в обеспечении сохранности растений. максимально возможная площадь зеленых листьев для фотосинтеза, а не потеря площади из-за вредителей и болезней ".«В настоящее время мы сталкиваемся с множеством проблем в области пестицидов, поскольку у сорняков, вредителей и болезней растет устойчивость, а также сокращается арсенал пестицидов из-за более жестких условий, налагаемых для регистрации продуктов.
Любые исследования, которые могут повысить эффективность продуктов благодаря лучшему пониманию того, как болезни и пестициды проникают через восковой слой на поверхности листьев, должны быть невероятно полезными ».Однако структура восковой кутикулы и то, как пестициды изменяют барьер, чтобы проникнуть внутрь и защитить растение, до конца не изучены.Ведущий автор исследования Элиас Памбу из Манчестерского университета сказал: «Понимая, как поверхностно-активные вещества в пестицидах взаимодействуют с растением, вы можете точно настроить ингредиенты пестицида, чтобы не только еще больше повысить урожайность, но и устранить некоторые потенциальные негативные стороны. эффекты, включая удаление некоторых восков, которые делают растение восприимчивым к другим видам болезней и атакам со стороны бактерий и микробов.
Это открывает дверь для безопасных для сельскохозяйственных культур составов, которые будут обратимо взаимодействовать с растительными парафинами ».«Мы получаем важную информацию о том, как работают заводы, и у нас раньше не было инструментов для изучения».Чтобы создать модель поверхности листа, ученые сначала извлекли настоящий растительный воск из листьев ячменя и пшеницы. Это стало возможным благодаря новой методике, называемой сверхкритической экстракцией диоксида углерода, при которой ученые растворяют воск с поверхности листа с помощью растворителя диоксида углерода в сверхкритических условиях при очень высокой температуре и давлении. При понижении давления и температуры углекислый газ испаряется, оставляя воск.
Этот метод был разработан на факультете зеленой химии Йоркского университета.Затем команда из Манчестерского университета взяла извлеченный воск и нанесла его методом центрифугирования на плоскую силиконовую основу, чтобы смоделировать поверхность листа. Методы визуализации позволили команде увидеть, что восковая модель очень похожа на структуру воска на реальном листе, а это означает, что модель можно использовать для реалистичного изучения того, как пестициды проникают через восковой барьер и попадают в растение.
В методе, известном как нейтронная рефлектометрия, команда использовала инструмент ISIS, INTER, чтобы отразить нейтроны от поверхности восковой модели. Они обнаружили, что воск состоял из тонкой пленки, покрытой крупными кристаллическими структурами.
Профессор Роберт МакГриви, директор центра STFC ISIS, сказал: «Нейтроны предлагают уникальный инструмент для глубокого проникновения в самые разные материалы. Команда из Манчестера использовала инструмент INTER здесь, в ISIS, чтобы увидеть, из чего состоит восковая пленка и какова вода. преодолели барьер на молекулярном уровне. Но мы также можем использовать ту же технику для изучения новых магнитных материалов для компьютерного хранения данных ».Элиас Памбу добавил: «Нейтронная рефлектометрия настолько эффективна, потому что мы можем смотреть не только на толщину восковых пленок, но и на изменение плотности во всем диапазоне толщин.
Мы можем смотреть на количество воды, проникающей в лист, на поверхность воска по сравнению с нижней частью воска, ближайшая к эпикутикулярным клеткам растения. Это может дать нам много информации о том, как вода распространяется через растение ».
Проект поддерживает агрохимическая компания Syngenta. Доктор Гордон Белл, старший научный сотрудник Syngenta, сказал: «Это исследование способствовало нашему пониманию кинетики поглощения растениями.
Оно показало, что вода может проникать в воск листьев. Это простое наблюдение объясняет многие фундаментальные научные данные, лежащие в основе поглощения пестицидов организмом. растения ".