Научни новини: прецизно земеделие, клетъчна биология и микробиология

В помощ на прецизното земеделие

Прецизното земеделие е сравнително нов подход, чието бързо развитие се дължи на различни технологии. Сред тях са отдалеченото отчитане с помощта на леки безпилотни летателни апарати и спътници, тракторите, подпомогнати от GPS, локалните метеорологични станции за измерване на различни климатични и почвени параметри. Благодарение на събраните данни фермерите могат да намалят значително количеството на влаганите вода и пестициди, както и броя на самите третирания, което води до големи икономически и екологични ползи.

Например след като посевът бъде заснет в различни спектри на светлината, може да се определят само конкретни зони, в които е нужно поливане. Климатичните данни могат да бъдат обработени с математически модели и да се прогнозира появата на заболявания и неприятели, като се определи най-подходящият момент за третиране срещу тях.

Една от основните дейности, които имат нужда от оптимизация, е използването на препарати, като най-разпространеният метод в момента е пръскането им върху повърхността на растенията. Дори при употребата на микропръскачки, които целево третират само определени растения, препаратите се задържат върху повърхността им за много кратко време. Освен че това не е много ефективен метод за приемането им от растенията, те са изложени на атмосферните влияния, което може да понижи активността им, а при някои пестициди улеснява попадането им в почвата, откъдето могат да замърсят подпочвените води.

Потенциално решение, описано в скорошно пилотно изследване, е използването на микроигли, които са направени от протеини, съдържащи се в коприната. За изработването им протеините са изолирани от ларви на копринената пеперуда, след което са формовани чрез силиконови калъпи в тънки ленти с микроскопични шипчета. С тяхна помощ учените успешно са внесли директно в растенията растежния регулатор гиберелинова киселина, който стимулира клетъчното делене. След процедурата са проследени нивата на генна експресия, както и влиянието на третирането върху моделното растение Arabidopsis thaliana. Експерименти са направени и с някои културни видове, като домат, маруля, ориз и др.

Нараняването на тъканите е видно от появата на микроскопичен калус (образувание след нараняване на тъканта) върху листата на обработените растения, но той не е попречил на развитието им. Установени са и промени в активността на гени, свързани с нараняването на тъкани, но само 24 часа след микроинжектирането техните нива са се върнали до нормалните, наблюдавани при контролните растения. Наред с това, при сравнение с традиционното третиране чрез пръскане, при новия метод е установена значима разлика в ефекта дори и при използване на трикратно пръскане и еднократно приложение на микроиглите. Тези резултати показват, че методът не е прекалено инвазивен и има потенциал да даде по-добър ефект от рутинното пръскане и това би помогнало за намаляване на количеството използван препарат.

Авторите смятат, че това може да бъде важен компонент в системата на прецизното земеделие. Освен растежни регулатори, които се използват рутинно в земеделската практика за постигане на най-различни ефекти в отглежданите култури, методът може да се приложи и за други биологично активни вещества и микроелементи. Особен интерес представлява възможността за внасяне на генетичен материал в растенията – например вмъкването на CRISPR конструкти, което има потенциал да изведе генетичните модификации от лабораторията на полето.

Приложение в прецизното земеделие може да намери и откритието, че растенията издават звуци, когато са изложени на стрес. Досега се знаеше, че вибрират, но за първи път се установява, че тези вибрации могат да се носят по въздуха под формата на звук.

Като всеки организъм растенията са подложени на различни видове стрес. Най-общо те се разделят на абиотичен – суша, екстремни температури и други неблагоприятни условия на околната среда; и биотичен – повреди от различни патогени и неприятели. В повечето случаи стресовите фактори при растенията се установяват, след като те вече проявят симптоми като увяхване или повреди.

Това може да се промени благодарение на учени от Университета в Тел Авив. Те са установили, че растенията издават звуци, които се носят по въздуха и могат да бъдат уловени на разстояние от 3 до 5 метра. За целта са използвани специални ултразвукови микрофони, работещи в честотен диапазон от 20 до 250 kHz (над границите на човешкия слух). След обработка на записите на тях могат да се чуят специфични звуци, напомнящи пукането на пуканки. Учените са установили, че растенията, които не са изложени на стрес, рядко издават звуци, докато стресираните го правят над 10 пъти всеки час.

Сред експериментите, проведени от екипа, е определяне на засушаването при домати. След като записали две групи растения – едни, поливани нормално, и други, които не са поливани няколко дни, – с помощта на алгоритъм за машинно обучение учените успяват да ги разделят само по звуците, които издават, като в зависимост от обработката на данните точността може да достигне 98%. Особено интересно е, че растенията, страдащи от липса на вода, могат да бъдат открити, преди да започнат да показват външни признаци. Звуците зачестяват с намаляването на почвената влага през първите 4–5 дни, след което започва процесът на изсъхване и растенията отново утихват.

Експериментът е проведен и с други растителни видове – тютюн, лоза, пшеница, царевица, както и с други видове стрес – отрязване на стъблото и заразяване с вируса на доматената мозайка (TMV). При всички случаи отчитането на учестени ултразвуци при стрес е било успешно, което показва, че това най-вероятно е процес, протичащ навсякъде в природата. Предполага се, че феноменът се дължи на кавитация в ксилема – вдървесинената проводяща тъкан на растенията, по която водата се придвижва от корените към надземните части.

Изследването разширява значително знанията ни за комуникацията между растенията и други организми. До момента беше известно, че при различни неблагоприятни условия растенията отделят летливи органични вещества, наречени семиохимикали, които могат да служат за защита от неприятели, но също така и като предупредителен сигнал за околните. Например при нараняване листата на черната елша започват да стават по-устойчиви на насекоми. Интригуващото е, че тези промени се наблюдават и в близките дървета, като ефектът намалява с увеличаване на разстоянието. Колкото по-отдалечени са дърветата от първото наранено дърво, толкова повече повреди и снесени яйца се отчитат.

Издаването на ултразвук може да е сходен механизъм, служещ за предупреждение между растенията или за привличане на потенциални опрашители. Редица животни могат да чуват в този честотен диапазон, така че тепърва предстои да се установят потенциалните взаимовръзки в тази система за комуникация.

Клетъчна биология

Работата с човешки ембриони е обвързана с много регулации, етични въпроси и ограничено количество достъпен материал. Доскоро границата за отглеждането им в лабораторни условия беше 14 дни след оплождане, което съвпада с първите признаци за развитие на нервната система. Затова ранните стадии на човешкото развитие са до голяма степен недостатъчно изследвани. През 2021 г. ISSCR (International Society for Stem Cell Research, Международното дружество за изследване на стволовите клетки) обнови препоръките си, премахвайки това правило и позволявайки провеждането на по-дълги проучвания след индивидуално одобрение на експерименталния дизайн. Това отваря нови хоризонти пред учените, но не премахва всички трудности, свързани с експериментите.

Един от подходите, които се използват за заобикаляне на тези пречки, е прилагането на сравнително нов похват – създаване на структури от стволови клетки, подобни на естествените. Броят на публикациите за миши бластоиди и ембриоиди (различаваме ги по завършека -ид) расте, като освен in vitro, получените структури са наблюдавани за по-продължителен период и in vivo след имплантирането им. Такива структури са създадени успешно и от човешки стволови клетки, но се изучават само in vitro, тъй като регулациите на етичните комисии не позволяват имплантирането им. По тази причина китайски екип е решил да извърши експеримента със стволови клетки от явански макак. Този вид е използван и за други сходни изследвания – първите клонирани и първите генетично модифицирани примати, съответно през 2018 и 2019 г.

Започвайки отново със стволови клетки, учените успешно създават бластоиди в клетъчна култура, които под микроскоп приличат много на естествените бластоцисти. След по-продължително култивиране те започват да оформят и структури, сходни с естествените. Това е потвърдено и със секвениране на РНК от единични клетки от тези структури, като се установява сходство с генната експресия при бластоцистите. Част от получените бластоиди са прехвърлени за проследяване in vivo и успешно са се имплантирали в маточната стена на три от осемте женски.

Първата стъпка от бременността е потвърдена с помощта на ултразвук и измерване на нивата на хормоните, които се повишават с настъпването ѝ, като прогестерон и хорионгонадотропин. Но въпреки всички признаци на започваща бременност, след около седмица тези промени изчезват и развитието към ембрион не продължава.

Макар че авторите отчитат потенциални етични конфликти в подобни изследвания, не смятат, че са съществени, тъй като бластоидите не могат да се развият в зародиш. От друга страна, това ограничение не пречи да се изследват първоначалните стадии на развитие, които крият опасност от спонтанно отхвърляне и други генетични и структурни грешки. За да се обърне по-обстойно внимание на тези промени, учените планират да използват методи за генетично редактиране в следващите си експерименти. И учените, и регулаторните органи смятат, че такива изследвания могат да бъдат изключително полезни за науката и медицинската практика и е добре да се популяризират, за да може да се проведе и обществена дискусия с неспециалисти.

Микробиология

Бактериофагите, накратко фаги, са група вируси, които паразитират само по прокариотни организми и за които се смята, че са най-разпространените организми в биосферата. Тяхната структура е изключително характерна – „глава“, в която се съдържа генетичният им материал, „опашка“, помагаща за вмъкването му в гостоприемника, и „крачета“. След като открият жертвата си, фагите се захващат с крачетата към нея, свиват опашката си и „инжектират“ своя генетичен материал. Веднъж попаднал в гостоприемника, той окупира клетъчния му апарат, започвайки производство на вирусни частици, които впоследствие се самоорганизират в нови бактериофаги.

Опашката им играе изключително важна роля в способността да заразяват бактерии. В това отношение бактериофагът P74-26 е много интересен, защото има изключително дълга опашка – почти 1 микрометър, което е 10 пъти повече от обичайното. Той е открит в топли извори и основният му гостоприемник е бактерията Thermus thermophilus, за която оптималната температура е 65 °C. Поради това се смята, че P74-26 е най-термостабилният бактериофаг познат до момента.

Използвайки изображения от криоелектронен микроскоп с висока резолюция и данни от последващи компютърни симулации, американски екип вероятно е успял да разгадае тайната на стабилността на този бактериофаг. Както при другите фаги, опашката е съставена от множество протеинови мономери – малки „блокчета“, които се свързват едно с друго като своеобразно Lego.

При подходяща температура те променят формата си, образувайки примка в едната си част и вдлъбнатина в другата, което им позволява да се захванат много здраво, оформяйки пръстени от два типа. Пръстените се подреждат един върху друг и така изграждат структурата на опашката. Друго наблюдение е, че P74-26 използва по-големи мономери. Хипотезата на учените е, че в миналото на бактериофага е имало еволюционно събитие, при което е настъпило окрупняване на мономери – те са се слели, създавайки по-стабилен и температуроустойчив градивен елемент.

Фагите представляват все по-голям интерес най-вече заради своята способност да убиват бактерии, без да влияят на животинските организми. Това може да се окаже изключително ефективен метод за справяне с бактериите, изключващ употребата на антибиотици. Моделът може да намери приложение и в бъдещи наноструктури, като микроскопични биологични „роботи“, които да доставят медикаменти в телата ни или да подпомагат имунната ни система.

Заглавно изображение: Микроскопска снимка на лист на амофила (песъчар), 100х увеличение. Източник: Berkshire Community College Bioscience Image Library / Flickr