Nanotechnologií proti plísním. Vědci přišli s řešením, které chrání rostliny bez chemikálií

„Plíseň je to nejhorší, co v kuchyni najdete,“ zdůrazňují učitelky chemie a biologie už na základních školách. Vědí totiž, že spory mikroskopických hub se rychle šíří a zamoří celé jídlo. Přesvědčení, že po vykrojení plesnivého kousku jablka bude zbytek v pořádku, je bohužel mylné. Houba prorostla celým ovocem dřív, než se ukázal první šedivý flek.

Vědci a chemici se prý plísně štítí nejvíc, protože slyšeli o mnoha případech, kdy jedovatá houba někomu pořádně zamávala žaludkem. Skupina amerických výzkumníků nyní přichází s experimentální technologií, díky níž se mohou rostliny plísním ubránit i bez pomoci škodlivých látek.

Žijí tu s námi

Na plísně lze narazit prakticky všude. Jejich výskyt hrozí u základních potravin jako rýže, obilí, brambory a kukuřice. Houby ale nepohrdnou ani kávou, cukrovou řepou, banány a dalšími užitkovými plodinami. Plísňové choroby zničí každý rok třetinu světové úrody a v některých oblastech mohou způsobit i bídu a hlad.

Zemědělci se proti nim brání, jak umí. Ošetřují půdu jedovatými chemickými plyny, čímž svá pole znečišťují ještě víc. Fungicidy půdu otráví tak, že nepřežijí ani prospěšné organismy, kterými se jinak úrodná hlína hemží, a další chemikálie pak stříkají přímo na rostliny. Všechny fungicidy ale zabírají jen chvíli, plísně rychle mutují a během několika let si vyvinou proti jedu imunitu. Ukázalo se, že k problému musíme přistoupit jinak.

Rostliny mohou bitvu s plísní vyhrát samy, pokud jim dáme nástroje a možnost se bránit. Ačkoliv to možná zní zvláštně, takový je výsledek výzkumu týmu Jason Whita, který pracuje jako toxikolog životního prostředí v Zemědělské experimentální stanici v New Havenu v Connecticutu. White posiluje rostliny živinami, které vkládá do speciálně navržených nanobalíčků. Tyto látky zvyšují přirozenou imunitu rostlin proti plísním mnohem efektivněji než tradiční hnojiva. Za posledních několik let vědci přišli s několika variantami směsi nanoživin, které podporují odolnost sóji, rajčat, melounů a nedávno taky lilků, čímž se pochlubili v dubnovém čísle časopisu Plant Disease.

„Nový koncept se dokázal vyřešit příčinu problému místo toho, abychom na něj jen hledali náplast,“ říká inženýrka životního prostředí Leanne Gilbertson z Univerzity v Pittsburghu, ačkoli se výzkumu přímo neúčastnila. Whiteova strategie spočívá v dopování rostliny živinami potřebnými ke spuštění produkce enzymů, které plodinu brání před útoky patogenů. Celý proces se obejde bez škodlivých chemikálií. Díky tomu houby ztrácí příležitost si vytvořit rezistenci – nemají proti čemu, říká vědkyně.

Přístup výzkumníků k nanomateriálům ovlivnilo dřívější zjištění, že nanočástice mohou v rostlinném těle kukuřice cirkulovat od kořenů nahoru a z listů zase zpět dolů. Vědci jednu polovinu kořenových vláken kukuřice namočili do roztoku s nanočásticemi mědi a druhou do čisté vody. Měď se objevila i v kořenech, které sály obyčejnou vodu, což dokazuje, že prošla celým tělem rostliny. White s kolegy svůj objev publikoval už v roce 2012 v časopise Environmental Science & Technology. Pak už zbýval jen krok k návrhu, aby nanočástice aplikovali přímo na listy, ačkoliv je potřebují dostat do kořenů.

Živiny na listy

Největší komplikaci představuje skutečnost, že z půdy kořeny vstřebají minimum rozložených živin. Sloučeniny se v hlíně rozkládají, vypařují se nebo odtékají. Rostlina využije asi pětinu živin přidaných do vody. „Když použijeme živiny ve formě nanočástic, můžeme je efektivně dostat přesně tam, kde je rostlina potřebuje,“ říká White.

První pokusy provedl Whitův tým na lilku a rajčatech. Výzkumníci postříkali listy a mladé klíčky sprejem s kovovými nanočásticemi a pak je infikovali plísní. Rostliny ošetřené sprejem měly v kořenech vyšší hladinu prospěšných kovů a produkovaly vyšší výnosy  než kontrolní skupina, kterou vědci zalévali obyčejným hnojivem. Výsledek publikovali roku 2016 v Environmental Science: Nano.

Whitovi kolegové zjistili, že nanočástice nezabíjí houby. Plísně mezi nimi v prostředí okolo rostliny stále přežívaly. Živiny dodávaly rostlině sílu si poradit s infekcí sama. Vědci je přirovnali k doplňkům stravy u lidí.

Na velikosti záleží

Největší výhodu proti běžnému hnojivu dává nanočásticím jejich velikost. Podle chemičky Fabienne Schwab rozměry částic ovlivňují, jak rychle se živiny rozloží. Nanoživiny jsou tisíckrát tenčí než lidský vlas a zároveň tisíckrát větší než rozložené výživné soli. Mají plochý tvar s rozsáhlým povrchem, takže se rozpadnou mnohem dříve než větší hrudky hnojiva. Zároveň si drží dostatečnou pevnost, aby se neroztříštily hned. Uvolňují živiny několik týdnů se stupňující se intenzitou. Zcela rozpuštěné živiny v průmyslových hnojivech naopak dají rostlině okamžitou injekci energie, ale efekt je podobný, jako když člověk  vypije trojité espresso místo několika týdnů zdravé stravy.

„Když použijete nanoživiny, můžete si upravit rozpustnost, vcelku jak chcete,“ říká Schwab z Institutu Adolpha Merkla ve Švýcarsku. Kromě velikosti se liší i tvar, struktura a chemikálie na povrchu, které se dají upravovat v závislosti na tom, co od rostliny chceme. White s kolegy například zjistil, že nanometr tlusté plátky oxidu měďnatého jsou při prevenci plísně Fusarium virguliforme na sóji užitečnější než kulaté tvary ze stejné sloučeniny. Plátky rychleji vypouští nabité ionty mědi, které pomohly infikované sóje obnovit fotosyntézu zpět na hodnoty zdravé rostliny, uvedl tým loni v časopise Nature Nanotechnology.

Toxikolog ochutnávačem

„Je to velmi slibná technologie,“ říká Schwab, ale dodává, že si musíme dát pozor na několik věcí, než ji převedeme do praxe. Pokud se nanotechnologie v zemědělství rozšíří, pravděpodobně se vyskytnou různá bezpečnostní omezení. Největší výzva však bude uspokojit proměnlivé chutě konzumentů. White zatím nenašel na talíři žádné zbytkové nanočástice, ale nikdo ještě neví, zda kovy nebudou zůstávat v půdě nebo jestli neohrozí zdraví farmáře, který je bude dlouhodobě používat.

„Lidé všeobecně znervózní, když mluvíme o nanotechnologiích v jídle,“ říká White. Ale říká, že jeho skupina nepoužívá neznámé materiály, i jejichž účincích na zdraví nic nevíme. Vše, co rostlinám dávají, už tu bylo dávno. „Používáme pouze živiny, které plodiny potřebují, ale nemohou jich získat dostatek,“ vysvětluje. White osobně jedl lilky, rajčata a melouny, které vypěstoval během výzkumu. Pro budoucí zákazníky je to možná nejlepší ujištění o bezpečnosti: Toxikolog sám ochutnal plody své práce.