En ny form av skadedjursbekämpning inom jordbruket kan en dag slå rot – en som behandlar grödangrepp djupt under marken på ett målinriktat sätt med mindre bekämpningsmedel.

Ingenjörer vid University of California San Diego har utvecklat nanopartiklar, framställda av växtvirus, som kan leverera bekämpningsmedelsmolekyler till jorddjup som tidigare var oåtkomliga. Detta framsteg skulle potentiellt kunna hjälpa jordbrukare att effektivt bekämpa parasitiska nematoder som plågar grödors rotzoner, samtidigt som de minimerar kostnader, användning av bekämpningsmedel och miljötoxicitet.

Att kontrollera angrepp orsakade av rotskadande nematoder har länge varit en utmaning inom jordbruket. En anledning är att de typer av bekämpningsmedel som används mot nematoder tenderar att klänga fast i de översta jordlagren, vilket gör det svårt att nå rotnivån där nematoder skapar förödelse. Som ett resultat tillgriper bönder ofta att applicera alltför stora mängder bekämpningsmedel, samt vatten för att tvätta bekämpningsmedel ner till rotzonen. Detta kan leda till förorening av mark och grundvatten.

För att hitta en mer hållbar och effektiv lösning utvecklade ett team under ledning av Nicole Steinmetz, professor i nanoteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och grundare av Center for Nano-ImmunoEngineering, växtvirus nanopartiklar som kan transportera bekämpningsmedelsmolekyler djupt. i jorden, precis där de behövs. Arbetet beskrivs i detalj i en artikel publicerad i Nano Letters .

Steinmetz team hämtade inspiration från nanomedicin, där nanopartiklar skapas för riktad läkemedelsleverans, och anpassade detta koncept till jordbruket. Denna idé att återanvända och designa om biologiska material för olika applikationer är också ett fokusområde för UC San Diego Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC), där Steinmetz är en medledare.

"Vi utvecklar en metod för precisionsjordbruk där vi skapar nanopartiklar för målinriktad leverans av bekämpningsmedel", säger Steinmetz, som är studiens seniorförfattare. "Denna teknik lovar att förbättra behandlingens effektivitet i fältet utan att behöva öka doseringen av bekämpningsmedel."

Stjärnan i detta tillvägagångssätt är tobaks mild grön mosaikvirus, ett växtvirus som har förmågan att enkelt röra sig genom jorden. Forskare modifierade dessa virusnanopartiklar, vilket gjorde dem icke-smittsamma för grödor genom att ta bort deras RNA. De blandade sedan dessa nanopartiklar med bekämpningsmedelslösningar i vatten och värmde dem, vilket skapade sfäriska virusliknande nanopartiklar packade med bekämpningsmedel genom en enkel syntes i en pott.

Denna enpotssyntes erbjuder flera fördelar. För det första är det kostnadseffektivt, med bara några få steg och en enkel reningsprocess. Resultatet är en mer skalbar metod som banar väg mot en mer prisvärd produkt för bönder, konstaterade Steinmetz. För det andra, genom att helt enkelt förpacka bekämpningsmedlet inuti nanopartiklarna, snarare än att kemiskt binda det till ytan, bevarar denna metod bekämpningsmedlets ursprungliga kemiska struktur.

"Om vi ​​hade använt en traditionell syntetisk metod där vi kopplar bekämpningsmedelsmolekylerna till nanopartiklarna, skulle vi i princip ha skapat en ny förening, som kommer att behöva gå igenom en helt ny registrerings- och regulatorisk godkännandeprocess", säger studiens första författare Adam Caparco , en postdoktor i Steinmetz labb.

"Men eftersom vi bara kapslar in bekämpningsmedlet i nanopartiklarna, ändrar vi inte den aktiva ingrediensen, så vi behöver inte få nytt godkännande för det. Det kan hjälpa till att påskynda översättningen av denna teknik till marknaden."

Dessutom är tobaksmild grön mosaikvirus redan godkänt av Environmental Protection Agency (EPA) för användning som herbicid för att kontrollera en invasiv växt som kallas det tropiska sodaäpplet. Detta befintliga godkännande kan ytterligare effektivisera vägen från labb till marknad.

Forskarna genomförde experiment i labbet för att visa effektiviteten av deras bekämpningsmedelspackade nanopartiklar. Nanopartiklarna vattnades genom pelare av jord och transporterade framgångsrikt bekämpningsmedlen till minst 10 centimeters djup. Lösningarna samlades upp från botten av jordpelarna och visade sig innehålla de bekämpningsmedelspackade nanopartiklarna. När forskarna behandlade nematoder med dessa lösningar eliminerade de minst hälften av befolkningen i en petriskål.

Även om forskarna ännu inte har testat nanopartiklarna på nematoder som lurar under jorden, noterar de att denna studie markerar ett betydande steg framåt.

"Vår teknik gör det möjligt att använda bekämpningsmedel avsedda att bekämpa nematoder i marken", säger Caparco. "Dessa bekämpningsmedel ensamma kan inte penetrera marken. Men med våra nanopartiklar har de nu markrörlighet, kan nå rotnivån och potentiellt döda nematoderna."

Framtida forskning kommer att involvera att testa nanopartiklarna på verkliga angripna växter för att bedöma deras effektivitet i verkliga jordbruksscenarier. Steinmetz labb kommer att utföra dessa uppföljningsstudier i samarbete med U.S. Horticultural Research Laboratory. Hennes team har också etablerat planer för ett industripartnerskap som syftar till att utveckla nanopartiklarna till en kommersiell produkt.

Mer information: Adam A. Caparco et al, Leverans av nematicider med TMGMV-härledda sfäriska nanopartiklar, nanobokstäver (2023). DOI:10.1021/acs.nanolett.3c01684

Journalinformation: Nanobokstäver

Tillhandahålls av University of California - San Diego