Een nieuwe vorm van ongediertebestrijding in de landbouw zou op een dag wortel kunnen schieten, een vorm die gewasplagen diep onder de grond op een gerichte manier aanpakt met minder pesticiden.

Ingenieurs van de Universiteit van Californië in San Diego hebben nanodeeltjes ontwikkeld, gemaakt van plantenvirussen, die pesticidemoleculen kunnen afleveren op bodemdiepten die voorheen onbereikbaar waren. Deze vooruitgang zou boeren mogelijk kunnen helpen parasitaire nematoden die de wortelzones van gewassen teisteren effectief te bestrijden, terwijl de kosten, het gebruik van pesticiden en de toxiciteit voor het milieu tot een minimum worden beperkt.

Het beheersen van plagen veroorzaakt door wortelbeschadigende nematoden is lange tijd een uitdaging geweest in de landbouw. Eén reden is dat de soorten pesticiden die tegen nematoden worden gebruikt de neiging hebben zich aan de bovenste lagen van de grond te hechten, waardoor het moeilijk wordt om het wortelniveau te bereiken waar nematoden grote schade aanrichten. Als gevolg hiervan nemen boeren vaak hun toevlucht tot het toepassen van buitensporige hoeveelheden pesticiden, evenals water om pesticiden naar de wortelzone te spoelen. Dit kan leiden tot verontreiniging van bodem en grondwater.

Om een ​​duurzamere en effectievere oplossing te vinden, heeft een team onder leiding van Nicole Steinmetz, hoogleraar nano-engineering aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering en oprichter en directeur van het Center for Nano-ImmunoEngineering, nanodeeltjes van plantenvirussen ontwikkeld die pesticidemoleculen diep kunnen transporteren in de bodem, precies daar waar ze nodig zijn. Het werk wordt gedetailleerd beschreven in een artikel gepubliceerd in Nano Letters .

Het team van Steinmetz liet zich inspireren door nanogeneeskunde, waarbij nanodeeltjes worden gemaakt voor gerichte medicijnafgifte, en paste dit concept aan de landbouw aan. Dit idee van het herbestemmen en herontwerpen van biologische materialen voor verschillende toepassingen is ook een aandachtsgebied van het UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), waarvan Steinmetz mede-leider is.

"We ontwikkelen een aanpak voor precisielandbouw waarbij we nanodeeltjes creëren voor gerichte toediening van pesticiden", zegt Steinmetz, senior auteur van het onderzoek. "Deze technologie houdt de belofte in van het verbeteren van de effectiviteit van behandelingen in het veld zonder de noodzaak om de dosering van pesticiden te verhogen."

De ster van deze aanpak is het milde groene mozaïekvirus van tabak, een plantenvirus dat zich gemakkelijk door de bodem kan verplaatsen. Onderzoekers hebben deze virusnanodeeltjes aangepast, waardoor ze niet-infectieus zijn voor gewassen door hun RNA te verwijderen. Vervolgens mengden ze deze nanodeeltjes met pesticideoplossingen in water en verhitten ze, waardoor via een eenvoudige synthese in één pot bolvormige virusachtige nanodeeltjes ontstonden, boordevol pesticiden.

Deze éénpotsynthese biedt verschillende voordelen. Ten eerste is het kosteneffectief, met slechts een paar stappen en een eenvoudig zuiveringsproces. Het resultaat is een meer schaalbare methode, die de weg vrijmaakt voor een betaalbaarder product voor boeren, aldus Steinmetz. Ten tweede, door het pesticide simpelweg in de nanodeeltjes te verpakken, in plaats van het chemisch aan het oppervlak te binden, behoudt deze methode de oorspronkelijke chemische structuur van het pesticide.

"Als we een traditionele synthetische methode hadden gebruikt waarbij we de pesticidemoleculen aan de nanodeeltjes koppelden, zouden we in wezen een nieuwe verbinding hebben gecreëerd, die een geheel nieuw registratie- en goedkeuringsproces zal moeten doorlopen", zegt eerste auteur van het onderzoek, Adam Caparco. , een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Steinmetz.

"Maar omdat we het pesticide alleen in de nanodeeltjes inkapselen, veranderen we het actieve ingrediënt niet, dus we hoeven er geen nieuwe goedkeuring voor te krijgen. Dat zou de vertaling van deze technologie naar de markt kunnen helpen versnellen."

Bovendien is het milde groene mozaïekvirus al goedgekeurd door de Environmental Protection Agency (EPA) voor gebruik als herbicide ter bestrijding van een invasieve plant die de tropische frisdrankappel wordt genoemd. Deze bestaande goedkeuring zou het pad van laboratorium naar markt verder kunnen stroomlijnen.

De onderzoekers voerden experimenten uit in het laboratorium om de werkzaamheid van hun met pesticiden verpakte nanodeeltjes aan te tonen. De nanodeeltjes werden door kolommen grond bewaterd en transporteerden de pesticiden met succes naar een diepte van minimaal 10 centimeter. De oplossingen werden verzameld vanaf de bodem van de bodemkolommen en bleken de met pesticiden verpakte nanodeeltjes te bevatten. Toen de onderzoekers nematoden met deze oplossingen behandelden, elimineerden ze minstens de helft van de populatie in een petrischaaltje.

Hoewel de onderzoekers de nanodeeltjes nog niet hebben getest op nematoden die onder de grond op de loer liggen, merken ze op dat dit onderzoek een belangrijke stap voorwaarts betekent.

"Onze technologie maakt het mogelijk om pesticiden die bedoeld zijn om nematoden te bestrijden, in de bodem te gebruiken", zegt Caparco. "Deze pesticiden alleen kunnen niet in de bodem doordringen. Maar met onze nanodeeltjes hebben ze nu bodemmobiliteit, kunnen ze het wortelniveau bereiken en mogelijk de nematoden doden."

Toekomstig onderzoek zal bestaan ​​uit het testen van de nanodeeltjes op daadwerkelijk besmette planten om hun effectiviteit in reële landbouwscenario's te beoordelen. Het laboratorium van Steinmetz zal deze vervolgstudies uitvoeren in samenwerking met het U.S. Horticultural Research Laboratory. Haar team heeft ook plannen opgesteld voor een partnerschap binnen de sector, gericht op het ontwikkelen van nanodeeltjes tot een commercieel product.

Meer informatie: Adam A. Caparco et al., Levering van nematiciden met behulp van van TMGMV afgeleide bolvormige nanodeeltjes, Nanoletters (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01684

Journaalinformatie: Nanobrieven

Aangeboden door Universiteit van Californië - San Diego