Projekt „Nowe induktory odporności roślin oraz ich zastosowanie jako innowacyjne podejście do ochrony roślin przed patogenami” realizowany w ramach programu Team Tech Fundacji na rzecz Nauki Polskiej

Czym jest program Team Tech Fundacji na rzecz Nauki Polskiej ?

Fundacja na rzecz Nauki Polskiej jest pozarządową instytucją typu non profit, która realizuje misję wspierania nauki. Jest największym w Polsce pozabudżetowym źródłem finansowania badań. Celem Fundacji na rzecz Nauki Polskiej jest działanie na rzecz nauki poprzez wspieranie uznanych przez środowisko naukowców i zespołów badawczych oraz transferu polskich osiągnięć naukowych do praktyki gospodarczej. Wspomniane działanie jest realizowane m.in. poprzez programy finansowania, do których należy program Team-Tech. Program Team-Tech ma formę grantów dla zespołów badawczych prowadzonych przez wybitnych uczonych realizujących projekty B+R związane z powstawaniem produktu lub procesem produkcyjnym (technologicznym lub wytwórczym) o dużym znaczeniu dla gospodarki.

Nasza technologia

Opracowane przez nas substancje chemiczne pozwalają na zapewnienie roślinom ochrony w sposób alternatywny względem pestycydów. Idea jest dosyć prosta: zamiast skupiać się na zwalczanie patogenów roślin za pomocą środków chemicznych, chcemy uruchamiać i wzmacniać naturalne mechanizmy odporności roślin, tak aby one same mogły obronić się przed chorobami. Zjawiskiem pozwalającym rośliną na samodzielną obronę przed patogenami jest systemiczna odporność nabyta (z ang. Systemic Acquired Resistance). W przypadku ataku patogena, roślina sama uruchamia naturalną reakcję obronną związaną z tym zjawiskiem, jednakże proces wzbudzenia odporności rośliny do poziomu pozwalającego na efektywne odparcie infekcji jest długi, często dłuższy niż proces infekcji patogenu i jego rozwoju.

Stosując opracowane przez nas substancje chemiczne możemy już wcześniej uruchomić mechanizmy odpornościowe roślin, w taki sposób aby mogły one skutecznie przeciwstawić się patogenom. Stymulacja metabolizmu roślin powoduje, że jest ona przygotowana na atak patogena przed jego wystąpieniem. Stan wzbudzenia utrzymuje się około 3-4 tygodnie, później konieczne jest wykonanie kolejnego zabiegu. Jednakże działanie tych substancji nie ogranicza się tylko do stymulacji mechanizmów odpornościowych. Wpływ na roślinę widoczny jest również w stymulacji procesów wzrostowych rośliny, poprawa kondycji fizjologicznej i zdrowotności. Tak szerokie działanie na roślinę stawia ją w lepszej pozycji do walki z patogenami.

Znaczenie dla gospodarki

Stale rosnące zapotrzebowanie na żywność jest głównym powodem poszukiwania nowych możliwości zwiększenia efektywności uprawy. Dodatkowo, roczne straty wywołane szkodnikami sięgają od 20 do 40%. Każdego roku, choroby roślin kosztują światową gospodarkę około 220 miliardów dolarów. W takich okolicznościach, konieczne stało się stosowanie produktów mających zapewnić roślinom skuteczną ochronę przed patogenami. Powszechnie stosuje się w tym celu pestycydy, których dawka na hektar uprawy sięga nawet 2.5 kg substancji aktywnych rocznie. Powszechne stosowanie środków chemicznych do zwalczania szkodników ma jednak wiele wad, w tym zanieczyszczenie biosfery (powietrza, wody i gleby), powodując, że organizmy niebędące przedmiotem zwalczania, są narażone na toksyczne pozostałości substancji aktywnych. Obecne prawodawstwo spowoduje w niedalekiej przyszłości sukcesywne wycofywanie z rynku europejskiego środków ochrony roślin, które nie będą spełniały określonych norm dotyczących bezpieczeństwa ich stosowania. W większości przypadków będą to pestycydy, które wykazują najskuteczniejsze działanie przeciwko patogenom. Dodatkowo, w wyniku oczekiwań klientów, czasem bardziej restrykcyjnych niż przepisy rządowe, oczekuje się, że kolejne dyrektywy zostaną wdrożone przez rządy w celu zastąpienia obecnie stosowanych pestycydów. Przeprowadzone analizy substancji badanych w ramach projektu Team-Tech wskazują, że znajdują się wśród nich takie, które spełniają kryteria stawiane przez prawodawstwo. Pozwala to stwierdzić, że wyniki uzyskane w trakcie realizacji projektu Team-Tech i dalsze prace podejmowane przez nasz zespół, pozwolą aby nowo odkryte cząsteczki stały się dostępne dla użytkowników końcowych i pozwolą na zapewnienie skutecznej ochrony roślinom przy dużo mniejszej ingerencji w środowisko naturalne.

Projekt

Głównym zadaniem projektu jest zbadanie potencjału aplikacyjnego badanych przez nas induktorów odporności roślin w kontekście zapewnienia ochrony ważnym gospodarczo gatunkom roślin przed chorobami występującymi w warunkach szklarniowych i polowych.
Swoje działania koncentrujemy na funkcjonalnych i strukturalnych pochodnych kwasu salicylowego. Rezultatem przeprowadzonych przez nas badań było wytypowanie kilkunastu cząsteczek wykazujących najlepsze działania na roślinach. Najlepszą spośród nich okazała się być cząsteczka nazwana przez nas skrótowo BTHWA.
Prace wykonywane w ramach projektu koncentrują się wokół 4 głównych zadań badawczych:

1. Zaprojektowanie i optymalizacja syntezy BTHWA

Skalowanie procesu syntezy substancji chemicznej jest powszechnie występującym problemem. Ilość substancji, którą byliśmy wstanie otrzymać w małej skali w laboratorium nie jest wystarczająca na zapewnienie odpowiedniej ilości substancji do badań, nie mówiąc już o potencjalnym wdrożeniu substancji BTHWA do praktyki rolniczej. Dlatego też, jednym z zadań, które postawiliśmy sobie w ramach projektu jest praca nad opracowaniem najlepszego i najbardziej ekonomicznego procesu syntezy substancji BTHWA w skali półprzemysłowej.

2. Przygotowanie formulacji dla substancji aktywnych oraz ewaluacja ich właściwości

Ilość substancji aktywnej, którą traktujemy 1 hektar uprawy jest na tyle niska, że problemem jest jej równomierny rozkład substancji aktywnej w preparacie. Aby móc prowadzić doświadczenia dotyczące aktywności biologicznej substancji BTHWA oraz innych induktorów, musimy mieć pewność, że w danej objętości preparatu będzie znajdowała się zawsze taka sama ilość substancji aktywnej. W tym celu, postawiliśmy sobie zadanie stworzenia prototypowych formulacji, które następnie będziemy badać pod kątem ich właściwości fizykochemicznych oraz ewentualnych zmian w aktywności induktora odporności.

3. Wykonanie badań dotyczących aktywności biologicznej badanych substancji oraz opracowanie wymogów ich stosowania na różnych roślinach

Wcześniejsze badania dotyczące aktywności biologicznej badanych przez nas induktorów prowadziliśmy w większości w warunkach szklarniowych, wykorzystując kilka modeli roślina-patogen. Takie badania pozwoliły nam na wykazanie aktywności badanych związków w ochronie przed patogenami, którymi sztucznie zakażaliśmy rośliny. W kolejnym etapie chcieliśmy rozszerzyć badania na nowe uprawy poprzez prowadzenie badań na nowych roślinach i w nowych układach roślina- patogen oraz sprawdzić działanie naszych substancji w warunkach maksymalnie zbliżonych do praktyki rolniczej. Prowadzone przez nas badania trwały przez cały okres wegetacyjny danej uprawy, w trakcie którego chcieliśmy znaleźć odpowiedni sposób zastosowania naszych substancji. Technologia stosowania rozumiana jako dobór odpowiedniego stężenia danej substancji oraz terminy jej zastosowania musi zostać opracowana osobno dla każdej z upraw, mimo tego, że substancje aktywują szlaki metaboliczne, które są wspólne dla wszystkich roślin.

4. Zbadanie potencjalnego wpływu substancji aktywnych na ekosystem oraz ewaluacja zachowanie się substancji w roślinach

W wyniku modyfikacji określonych cząsteczek chemicznych otrzymaliśmy substancje wykazujące pożądane przez nas właściwości, w tym zwiększoną aktywność biologiczną. Jednakże, z uwagi na fakt, iż każda modyfikacja cząsteczki może również zmienić jej pozostałe właściwości, zdecydowaliśmy się wykonać badania dotyczące potencjalnego wpływu na środowisko w przypadku przyszłego zastosowania takich substancji w ochronie roślin. Zakres prac obejmował badania nad toksycznością związków, zarówno w kontekście: cytotoksyczności (toksyczności względem komórek ludzkich); ekotoksyczności (toksyczności względem organizmów żyjących w środowisku); genotoksyczności (działania mutagennego) oraz zagrożenia w przypadku wchłonięcia substancji drogą doustną lub jej absorpcji przez skórę. Przeprowadziliśmy również badania dotyczące biodegradowalności substancji oraz ich rozpadu w roślinie. Dzięki współpracy z Uniwersytetem Medycznym w Poznaniu będziemy kontynuowali badania nad wpływem takich substancji na organizm człowieka.

Partnerzy projektu Team-Tech

Powyższe zadania są realizowane z Partnerami Projektu Team-Tech, w skład których wchodzą naukowcy i pracownicy ze poniższych jednostek badawczych:

Poza jednostkami naukowymi, współpracujemy również z biznesem i zrzeszeniami producenckimi:

Realizowane w ramach projektu Team-Tech działania, mają przybliżyć nas do wdrożenia na rynek produktu pozwalającego na zapewnienie skutecznej ochrony roślinom. Zadania badawcze ujęte w projekcie mają przede wszystkim na celu potwierdzenie aktywności biologicznej badanych substancji i znalezienie możliwości ich zastosowania.

Wyniki

W toku realizacji projektu otrzymaliśmy wiele ciekawych wyników na różnych roślinach. Poniżej przedstawiamy najciekawsze z nich wraz z odwołaniem gdzie można znaleźć więcej informacji o badaniach, jeśli te już zostały opublikowane

Publikacje

Wyniki prac przeprowadzonych w ramach projektu Team-Tech zostały przedstawione w pracach opublikowanych w międzynarodowych czasopismach z listy JRC:

[1] Czerwoniec, P., Lewandowski, P., & Smiglak, M. (2020). Derivatives of Isonicotinic Acid as New Efficient Systemic Acquired Resistance (SAR) Inducers. ChemistrySelect, 5(34),10759–10764. https://doi.org/10.1002/slct.202002818

[2] Feder-Kubis, J., Czerwoniec, P., Lewandowski, P., Pospieszny, H., & Smiglak, M. (2020). Ionic Liquids with Natural Origin Component: A Path to New Plant Protection Products. ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 8(2), 842–852. https://doi.org/10.1021/acssuschemeng.9b04859

[3] Markiewicz, M., Lewandowski, P., Spychalski, M., Kukawka, R., Feder-Kubis, J., Beil, S., Smiglak, M., & Stolte, S. (2021). New bifunctional ionic liquid-based plant systemic acquired resistance (SAR) inducers with an improved environmental hazard profile. Green Chemistry, 23(14), 5138–5149. https://doi.org/10.1039/d1gc00107h

[4] Spychalski, M., Kukawka, R., Krzesiński, W., Spiżewski, T., Michalecka, M., Poniatowska, A., Puławska, J., Mieszczakowska-Frąc, M., Panasiewicz, K., Kocira, A., & Smiglak, M. (2021). Use of new bth derivative as supplement or substitute of standard fungicidal program in strawberry cultivation. Agronomy, 11(6). https://doi.org/10.3390/agronomy11061031

[5] Turczański, K., Bełka, M., Kukawka, R., Spychalski, M., & Smiglak, M. (2021). A novel plant resistance inducer for the protection of european ash (Fraxinus excelsior l.) against hymenoscyphus fraxineus—preliminary studies. Forests, 12(8), 1–8. https://doi.org/10.3390/f12081072

Forumlarz kontaktowy


Jeśli jesteś zainteresowany wynikami prac badawczych, chciałbyś nawiązać z nami współpracę lub jesteś zainteresowany testowaniem naszego produktu prosimy o kontakt poprzez formularz kontaktowy

Projekt „Nowe induktory odporności roślin oraz ich zastosowanie, jako innowacyjne podejście do ochrony roślin przed patogenami" jest realizowany w ramach programu Team Tech (POIR.04/04.00-00-5BD9/17-00 ) Fundacji na rzecz Nauki Polskiej współfinansowanego przez Unię Europejską z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego.