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:
- Instytut Ochrony Roślin – Państwowym Instytutem Badawczym w Poznaniu
- Terenowa Stacja Doświadczalna Instytutu Ochrony Roślin – Państwowego Instytutu Badawczego w Białymstoku
- Terenowa Stacja Doświadczalna Instytutu Ochrony Roślin – Państwowego Instytutu Badawczego w Toruniu
- Instytut Ogrodnictwa – Państwowy Instytut Badawczy w Skierniewicach
- Instytut Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowy Instytut Badawczy w Puławach
- Zakład Herbologii i Technik Uprawy Roli Instytutu Uprawy Nawożenia i Gleboznawstwa – Państwowego Instytutu Badawczego we Wrocławiu
- Katedra Siedliskoznawstwa i Ekologii Lasu Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu
- Katedra Warzywnictwa Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu
- Katedra Agronomii Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu
- Instytut Chemii Wód Uniwersytetu Technicznego w Dreźnie
- Wydział Nauk o Rolnictwie Uniwersytetu w Neapolu
- Katedry i Zakładu Chemii Klinicznej i Diagnostyki Molekularnej Uniwersytetu Medycznego w Poznaniu
- Wydział Rolnictwa i Biotechnologii Politechniki Bydgoskiej w Bydgoszczy
- Katedra Chemii Organicznej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu
Poza jednostkami naukowymi, współpracujemy również z biznesem i zrzeszeniami producenckimi:
- Vitroflora
- Producent Rozsad Krasoń
- Zrzeszenie Producentów Owoców i Warzyw POMWITRUS
- Gospodarstwo Rolne BRASSICA Zbigniew Lebiedzinski
- Bonduelle Polska S.A. Fabryka w Gniewkowie
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.
Efekty projektu
Projekt doprowadził do opracowania około 100 nowych substancji aktywnych, które skutecznie indukują odporność systemową u roślin, zwiększając ich plonowanie i zawartość substancji prozdrowotnych. Kluczowym odkryciem była cząsteczka BTHWA, która znacząco chroni rośliny przed chorobami, szczególnie w uprawach pomidorów, tytoniu i jęczmienia. Badania potwierdziły jej skuteczność zarówno w warunkach polowych, jak i szklarniowych. Projekt przyczynił się do stworzenia interdyscyplinarnego zespołu badaczy z różnych dziedzin, którzy zdobyli cenne umiejętności w zakresie ochrony własności intelektualnej i komercjalizacji. Znalezienie partnerów naukowych i przemysłowych oraz kontakt z rolnikami umożliwiło aplikacyjne wykorzystanie wyników badań.
Komercjalizacja
Szukamy partnera chętnego do wprowadzenia produktu na rynek opartego o cząsteczkę BTHWA. Jesteśmy obecni na targach, konferencjach, wystawach, wydarzeniach startupowych.
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:
Publikacja opisuje zastosowanie cieczy jonowych pochodzenia naturalnego w ochronie roślin. Przeanalizowano właściwości chemiczne cieczy jonowych oraz ich potencjał jako ekologicznych środków ochrony roślin. W badaniach wykazano, że te związki mogą skutecznie działać przeciwko różnym patogenom roślinnym. Wyniki potwierdziły wysoką efektywność ochrony, jednocześnie minimalizując negatywny wpływ na środowisko. Artykuł podkreśla konieczność dalszych badań nad tymi związkami jako potencjalnymi zamiennikami dla tradycyjnych pestycydów.
Badanie skupia się na pochodnych kwasu izonikotynowego jako nowych induktorach odporności systemowej (SAR) u roślin. Związki te stymulują mechanizmy obronne roślin, zwiększając ich odporność na patogeny. Wyniki eksperymentalne pokazują, że pochodne te skutecznie aktywują odporność systemową, a ich efektywność dorównuje standardowym induktorom. W publikacji omówiono także ich mechanizm działania i potencjał aplikacyjny w rolnictwie. Praca stanowi cenny wkład w rozwój nowych środków ochrony roślin opartych na naturalnych procesach odpornościowych.
Artykuł bada zastosowanie nowej pochodnej BTH (benzo[1,2,3]tiazol) w uprawie truskawek jako uzupełnienie lub zamiennik standardowych fungicydów. Testy polowe wykazały, że nowa pochodna skutecznie chroni rośliny przed chorobami grzybowymi, jednocześnie zmniejszając konieczność stosowania chemicznych środków ochrony. Związek ten zwiększa naturalną odporność truskawek na patogeny, co przekłada się na wyższe plony. Publikacja sugeruje, że takie podejście może znacząco obniżyć chemiczne obciążenie środowiska w rolnictwie. Artykuł podkreśla konieczność dalszych badań nad długoterminową efektywnością takiego rozwiązania.
Publikacja przedstawia nowe bifunkcjonalne ciecze jonowe jako induktory systemowej odporności nabytej (SAR) u roślin. Związki te charakteryzują się ulepszonym profilem środowiskowym, co czyni je bardziej przyjaznymi dla środowiska w porównaniu do tradycyjnych środków ochrony. Badania wykazały, że nowe związki skutecznie stymulują reakcje obronne roślin, chroniąc je przed infekcjami. Jednocześnie charakteryzują się niższym potencjałem ekotoksycznym. Praca sugeruje, że mogą one stanowić alternatywę dla bardziej szkodliwych chemicznych środków ochrony roślin.
W publikacji opisano badania nad nowym induktorem odporności, który ma chronić jesion europejski (Fraxinus excelsior L.) przed Hymenoscyphus fraxineus, patogenem powodującym groźne choroby tych drzew. Wstępne badania laboratoryjne i polowe wykazały, że związek ten skutecznie stymuluje reakcje obronne jesionu, zmniejszając infekcję. Pomimo początkowych sukcesów, autorzy podkreślają konieczność przeprowadzenia dalszych badań w celu potwierdzenia długoterminowej efektywności. Publikacja dostarcza ważnych danych dla ochrony drzew liściastych w Europie.
Publikacja opisuje syntezę i charakterystykę bifunkcjonalnych cieczy jonowych opartych na jonie dodyny, stosowanych w ochronie roślin. Autorzy analizują ich aktywność biologiczną i skuteczność w zwalczaniu chorób roślin. Wyniki badań pokazują, że nowe związki mają silne działanie fungistatyczne, a jednocześnie są mniej toksyczne dla środowiska w porównaniu do tradycyjnych pestycydów. Praca sugeruje, że bifunkcjonalne ciecze jonowe mogą stanowić obiecującą alternatywę w ochronie roślin. Autorzy podkreślają potrzebę dalszych badań, by zoptymalizować ich zastosowanie.
Artykuł omawia proste modyfikacje kwasów nikotynowego, izonikotynowego oraz 2,6-dichloroizonikotynowego w kontekście tworzenia nowych środków ochrony roślin. Badania laboratoryjne wykazały, że modyfikowane związki mają silne działanie ochronne przeciwko różnym patogenom roślin. Wyniki wskazują, że te proste modyfikacje chemiczne znacząco poprawiają skuteczność ochrony. Autorzy sugerują, że mogą one być potencjalnie stosowane jako nowe środki ochrony roślin, oferując alternatywę dla bardziej złożonych i kosztownych chemikaliów. Publikacja dostarcza ważnych informacji na temat rozwoju tańszych i bardziej efektywnych pestycydów.
Badanie dotyczy nowej pochodnej benzo[1,2,3]tiazolu, która wykazuje działanie indukujące systemową odporność nabytą (SAR) w ochronie cukinii przed patogenami wirusowymi i grzybowymi. Wyniki eksperymentów wskazują, że związek ten skutecznie stymuluje mechanizmy obronne cukinii, chroniąc rośliny przed infekcjami wirusowymi oraz grzybiczymi. Artykuł podkreśla, że nowy związek może zastąpić lub uzupełnić tradycyjne metody ochrony roślin, oferując bardziej zrównoważone rozwiązanie. Autorzy sugerują dalsze badania nad zastosowaniem SAR w uprawach roślin warzywnych. Publikacja dostarcza cennych danych na temat zrównoważonej ochrony roślin.
W artykule omówiono zastosowanie induktorów odporności w ochronie sadzonek dębu szypułkowego (Quercus robur L.) przed mączniakiem prawdziwym (Erysiphe alphitoides). Wyniki badań terenowych wykazały, że zastosowane związki skutecznie chronią sadzonki dębów, redukując objawy choroby. Induktory odporności stymulują naturalne mechanizmy obronne roślin, co pozwala na ograniczenie stosowania chemicznych fungicydów. Autorzy podkreślają potencjał takiego podejścia w zrównoważonym leśnictwie i ochronie drzew. Badania sugerują, że związki te mogą być efektywnie stosowane w ochronie gatunków drzew zagrożonych przez choroby grzybowe.
Publikacja przedstawia badania nad nową pochodną benzo[1,2,3]tiazolu, która wykazuje skuteczność w redukcji objawów fusariozy u tulipanów oraz wspiera ich wzrost i rozwój. Wyniki eksperymentów wykazały, że zastosowanie nowego związku zmniejsza rozprzestrzenianie się choroby, jednocześnie poprawiając kondycję roślin. Autorzy sugerują, że pochodna ta może być użyteczna jako alternatywa dla tradycyjnych fungicydów, oferując bardziej ekologiczne rozwiązania w uprawie kwiatów ozdobnych. Badania podkreślają również potrzebę dalszych badań nad efektywnością tego środka w różnych warunkach uprawy.
W artykule przedstawiono wyniki badań nad nową pochodną kwasu salicylowego stosowaną w uprawie buraka cukrowego. Badania wykazały, że związek ten skutecznie zwiększa odporność roślin na patogeny, jednocześnie poprawiając ich wzrost i plonowanie. Nowa pochodna wykazuje potencjał w ochronie buraka cukrowego, zmniejszając potrzebę stosowania chemicznych środków ochrony. Autorzy zwracają uwagę na zrównoważony charakter tego podejścia, podkreślając, że może ono przyczynić się do zwiększenia efektywności produkcji rolniczej. Publikacja stanowi ważny wkład w rozwój bardziej ekologicznych metod uprawy buraka cukrowego.
