AirSeq всасывает воздух через ряд фильтров, а частицы в воздухе попадают в сборную жидкость для дальнейшего анализа. Кредит: Попечители Музея естественной истории, Лондон.
Теперь инфекции растений можно обнаружить в наших культурах еще до того, как они станут видны.
Определяя ДНК в спорах, летающих в воздухе, можно надеяться, что новая технология под названием AirSeq поможет фермерам эффективнее бороться с болезнями сельскохозяйственных культур, используя меньше химикатов.
ДНК в воздухе может иметь решающее значение для защиты нашей продовольственной безопасности.
Ежегодно до 40% урожая в мире теряется из-за вредителей и болезней, что обходится фермерам в сотни миллиардов фунтов стерлингов. Более 4 миллионов метрических тонн сельскохозяйственных пестицидов используются во всем мире каждый год, чтобы попытаться подавить эти угрозы, что сказывается на почве, воде и даже на нас самих.
Во многих случаях пестициды малоэффективны в предотвращении инфекций. Многие болезни обнаруживаются только тогда, когда у растений начинают проявляться симптомы, и в этот момент часто бывает слишком поздно их спасать.
Теперь исследователи из Музея естественной истории и Института Эрлхэма разработали новый способ обнаружения этих инфекций до того, как они станут проблемой. Известное как AirSeq, устройство всасывает тысячи литров воздуха, чтобы идентифицировать характерные фрагменты ДНК болезнетворных грибков.
Тестирование на востоке Англии показало, что AirSeq может отслеживать, как уровни этой ДНК колеблются в течение года. Доктор Мэтт Кларк, один из соавторов нового исследования, говорит, что это может позволить фермерам принимать меры, когда риск заражения самый высокий.
«В настоящее время фермеры опрыскивают свои посевы фунгицидами, чтобы сделать их растения невосприимчивыми к возможным грибковым инфекциям», — говорит Мэтт. «Но поскольку разные культуры устойчивы к разным штаммам патогенов, это не всегда необходимо».
«AirSeq может определять, какие споры присутствуют и насколько они многочисленны, что позволит фермерам понять, нужно ли им использовать фунгициды. Это означает, что фермеры могут опрыскивать свои посевы более эффективно, экономя деньги и способствуя более устойчивому земледелию».
Результаты исследования были опубликованы в журнале Current Biology.
Рост риска грибковых заболеваний
Несколько сотен лет назад сельское хозяйство было совсем не таким, как сейчас. Фермеры выращивали смесь различных культур на относительно небольших участках земли. Такое разнообразие культур означало, что фермы были более устойчивы к потенциальным заболеваниям, но за счет более низкой урожайности.
Сегодня многие поля являются монокультурами, на которых фермеры выращивают один вид на обширной территории. Хотя это делает сельское хозяйство более эффективным, это увеличивает риск заболеваний. Инфекции могут распространяться по растениям со скоростью лесного пожара, особенно среди растений с очень похожей генетикой.
Грибы являются одними из самых значимых причин заражения растений. Грибковые заболевания, такие как стеблевая ржавчина и пятнистость, убивают огромное количество культур, причем потери, по оценкам, достаточны, чтобы прокормить от 600 миллионов до 4 миллиардов человек в течение целого года.
Ожидается, что эти потери только возрастут в результате изменения климата, что делает борьбу с грибковыми заболеваниями более важной, чем когда-либо. Однако простое использование большего количества химикатов не является ответом. Так же, как бактерии становятся невосприимчивыми к антибиотикам, грибки также могут стать устойчивыми к фунгицидам.
«Если фунгициды используются слишком часто, выжившие грибки могут выработать к ним иммунитет», — объясняет Мэтт. «Некоторые фунгициды также могут влиять на выработку гормонов у животных, поэтому увеличение их использования также может представлять риск для нашего здоровья».
«В результате некоторые ключевые фунгициды теперь запрещены в ЕС. Поскольку эти химикаты постепенно выводятся из обращения, становится еще важнее экономно использовать оставшиеся варианты, чтобы предотвратить резистентность к фунгицидам».
Подобные проблемы вдохновили команду на разработку технологии AirSeq. То, что начиналось как проект по изучению того, как споры перемещаются между полями, превратилось в активный мониторинг болезней сельскохозяйственных культур с помощью их ДНК, переносимой по воздуху.
Что может делать AirSeq?
AirSeq работает, всасывая воздух через ряд фильтров, при этом частицы, переносимые по воздуху, попадают в собирающую жидкость. Затем эта жидкость концентрируется и используется для извлечения ДНК и секвенирования, чтобы выяснить, что было в воздухе.
Чтобы доказать, что это может работать, команда сначала проверила способность AirSeq обнаруживать бактерии Bacillus thuringiensis (Bt) в аэродинамической трубе. Бактерия выпускалась в воздух на постепенно более высоких уровнях, при этом увеличивающиеся уровни ДНК Bt улавливались устройством и обнаруживались путем секвенирования.
После проверки технологии в контролируемой среде пришло время протестировать AirSeq в полевых условиях. Устройство в течение полутора месяцев исследовало воздух вокруг полей пшеницы, ячменя и гороха, чтобы посмотреть, что оно сможет обнаружить.
«Наш подход заключается в том, чтобы упорядочить все, что находится в воздухе, а не сосредотачиваться на определенных гены или последовательности», — объясняет Мэтт. «Если мы секвенируем только определенные гены или виды, то можно пропустить то, что не ищем».
«Этот метод может обнаружить что угодно, включая новые и неожиданные штаммы болезней. В долгосрочной перспективе он может позволить нам увидеть, как развиваются эти патогены».
Испытание AirSeq выявило ДНК различных заболеваний, в том числе вызванных грибками и бактериями. К ним относятся распространенные заболевания пшеницы в Великобритании, такие как мучнистая роса и септориоз листьев, а также более редкие, такие как стеблевая ржавчина.
Уровни патогенов, по-видимому, связаны с климатом и погодой: более высокая влажность и количество осадков связаны с увеличением количества спор грибков.
Теперь команда надеется продолжить разработку AirSeq до такой степени, когда его можно будет внедрить для фермеров по всему миру. Их конечная цель — создать автономное устройство, которое может постоянно контролировать воздух на наличие признаков заболеваний.
Это может помочь фермерам принять целенаправленные меры для сокращения потерь урожая и в какой-то степени сократить голод в мире.
Дополнительная информация: Майкл Джолай и др., Измерение метагеномного разнообразия воздуха в сельскохозяйственной экосистеме, Current Biology (2024). DOI: 10.1016/j.cub.2024.07.030
Информация о журнале: Current Biology
Предоставлено Музеем естественной истории
