Hvordan plantevirus kan bruges til at afværge skadedyr og holde planter sunde

Forestil dig en teknologi, der kunne målrette pesticider til at behandle specifikke pletter dybt inde i jorden, gør dem mere effektive til at kontrollere angreb og samtidig begrænse deres toksicitet for miljøet.

Forskere ved University of California San Diego og Case Western Reserve University har taget et skridt hen imod det mål. De opdagede, at en biologisk nanopartikel - en plantevirus - er i stand til at levere pesticidmolekyler dybere under jorden, til steder, der normalt er uden for deres rækkevidde.

Arbejdet kunne hjælpe landmændene med bedre at håndtere vanskelige skadedyr, som parasitiske nematoder, der forårsager kaos på planterødder dybt nede i jorden, med mindre pesticid. Værket er publiceret 20. maj i tidsskriftet Natur nanoteknologi .

"Det lyder kontraintuitivt, at vi kan bruge en plantevirus til at behandle plantesundhed, " sagde Nicole Steinmetz, en professor i nanoingeniør ved UC San Diego Jacobs School of Engineering og seniorforfatter af undersøgelsen. "Dette er et spirende forskningsfelt inden for nanoteknologi, der viser, at vi kan bruge plantevirus som pesticidleveringssystemer. Det svarer til, hvordan vi bruger nanopartikler i medicin til at målrette lægemidler mod sygdomssteder og reducere deres bivirkninger hos patienter."

Pesticider er meget klæbrige molekyler, når de anvendes i marken, Steinmetz forklarede. De binder sig stærkt til organisk stof i jorden, gør det svært at få nok til at trænge dybt ned i rodniveauet, hvor skadedyr som nematoder opholder sig og forårsager skade.

For at kompensere, landmænd ender med at anvende store mængder pesticider, som får skadelige rester til at samle sig i jorden og udvaskes til grundvandet.

Steinmetz og hendes team arbejder på at løse dette problem. I en ny undersøgelse, de opdagede, at en bestemt plantevirus, Tobak mild grøn mosaikvirus, kan transportere små mængder pesticid dybt gennem jorden med lethed.

En nyttig virus

I laboratorietests, forskerne knyttet et modelinsekticid til forskellige typer nanopartikler og vandede dem gennem søjler af jord.

Tobaks mild grøn mosaikvirus klarede sig bedre end de fleste af de andre nanopartikler, der blev testet i undersøgelsen. Den førte sin last ned til 30 centimeter under overfladen. PLGA og mesoporøse silica nanopartikler, som forskere har undersøgt for levering af pesticider og gødning, båret deres nyttelast 8 og 12 centimeter dybt, henholdsvis.

Andre plantevirus blev også testet. Cowpea mosaikvirus bar også sin nyttelast 30 centimeter dybt under overfladen, men det kan kun bære en brøkdel af den nyttelast, som Tobak mild grøn mosaikvirus kan bære. Interessant nok, Physalis mosaikvirus nåede kun 4 centimeter under overfladen.

Forskerne antager, at nanopartikelgeometri og overfladekemi kan spille en rolle i, hvordan den bevæger sig gennem jorden. For eksempel, at have en rørformet struktur kan til dels forklare, hvorfor Tobak mild grøn mosaikvirus rejser længere end de fleste af de andre nanopartikler, der er sfæriske i form. Også, dens overfladekemi er naturligvis mere forskelligartet end syntetiske partikler som PLGA og silica, hvilket kan få den til at interagere med jorden anderledes. Selvom disse designregler kan gælde for tobaks mild grøn mosaikvirus, forskerne siger, at der er behov for mere arbejde for bedre at forstå, hvorfor andre nanopartikler opfører sig, som de gør.

"Vi tager begreber, vi har lært fra nanomedicin, hvor vi udvikler nanopartikler til målrettet lægemiddellevering, og anvende dem til landbruget, " sagde Steinmetz. "I medicinske omgivelser, vi ser også, at nanobærere med tynd, rørformede former og forskellige overfladekemier kan navigere i kroppen bedre. Det giver mening, at en plantevirus lettere kan trænge ind og bevæge sig gennem jorden - sandsynligvis fordi det er der, den naturligt opholder sig."

Med hensyn til sikkerhed, Tobak mild grøn mosaikvirus kan inficere planter af Solanaceae (eller natskygge) familien som tomater, kartofler og auberginer, men er godartet for tusindvis af andre plantearter. Også, virussen overføres kun ved mekanisk kontakt mellem to planter, ikke gennem luften. Det betyder, at hvis ét felt bliver behandlet med denne virus, nearby fields would not be at risk for contamination, sagde forskere.

Modeling pesticide delivery

The team also developed a computational model that can be used to predict how different pesticide nanocarriers behave in the soil—how deep they can travel; how much of them need to be applied to the soil; and how long they will take to release their load of pesticide.

"Researchers working with a different plant virus or nanomaterial could use our model to determine how well their particle would work as a pesticide delivery agent, " said first author Paul Chariou, en bioingeniør ph.d. student in Steinmetz's lab at UC San Diego.

"It also cuts down on experimental workload, " Chariou said. Testing just one nanoparticle for this study involves running hundreds of assays, collecting all the fractions from each column and analyzing them. "This all takes at least one month. But with the model, it only took us about 10 soil columns and 4 days to test a new nanoparticle, " han sagde.

Som et næste skridt, Steinmetz and her team are testing Tobacco mild green mosaic virus nanoparticles with pesticide loads. The goal is to test them in the field in the near future.

The paper is titled "Soil mobility of synthetic and virus-based model nanoparticles."