Σύγχρονες μέθοδοι αντιμετώπισης εδαφογενών παθογόνων των φυτών

Abstract

Η βιώσιμη γεωργία είναι ένα πολύπλοκο και πολύπλευρο ζήτημα. Από άποψη φυτοπροστασίας, οι ασθένειες των φυτών μπορούν να οδηγήσουν σε σημαντική μείωση της παραγωγής εκ των όποιων τα εδαφογενή παθογόνα αποτελούν μία πολύ σημαντική πρόκληση καθώς υπάρχει έλλειψη σε φυτοφάρμακα για την αντιμετώπισή τους. Ως αποτέλεσμα αυτού, είναι επιτακτική η ολιστική προσέγγιση και απαραίτητη η εύρεση καινοτόμων λύσεων για την αντιμετώπισή τους. Σε αυτό το πλαίσιο, στην παρούσα διδακτορική διατριβή, αρχικά ελέγχθηκαν η αποτελεσματικότητα και η φυτοτοξικότητα νανοσωματιδίων υπερδιακλαδισμένης πολυαιθυλενιμίνης (ΗPEI) με διαφορετικά μοριακά βάρη (5000 και 25000 Da) καθώς και των παραγώγων της που προέκυψαν από την τροποποίηση του HPEI με ομάδες γουανιδίνης (GPEI) ή ομάδες τεταρτοταγούς αμμωνίου (QPEI) με στόχο τη διευρεύνηση της αξιοποίησής τους ως καινοτόμες δραστικές ουσίες στην αντιμετώπιση των εδαφογενών φυτοπαθογόνων. Tα αποτελέσματα έδειξαν την επίδραση του μοριακού βάρους, το οποίο ήταν ανάλογο με τη βιοδραστικότητά τους, καθώς και των τελικών ομάδων, όπου το QPEI ήταν το λιγότερο τοξικό. Με βάση αυτά τα αποτελέσματα επιλέχθηκαν τρία νανοσωματίδια (ΗPEI, GPEI, QPEI) με ίδιο μοριακό βάρος (25000 Da) για την περαιτέρω μελέτη της αποτελεσματικότητας στο εδαφογενές φυτοπαθογόνο Verticillium dahliae, και η επίδρασή τους στο μεταβολισμό του. Η συγκριτική μελέτη των HPEI, GPEI, QPEI έδειξε ότι η τροποποίησή του ΗPEI με τεταρτοταγείς αμμωνιακές ομάδες (QPEI) οδηγεί σε μειωμένη αποτελεσματικότητα έναντι της μυκηλιακής ανάπτυξης του μύκητα, ενώ η τροποποίηση με γουανιδινικές ομάδες (GPEI) έχει ως αποτέλεσμα υψηλότερη τοξικότητα στο V. dahliae. Η μεταβολομική ανάλυση έδειξε ότι τα νανοσωματίδια έχουν ξεχωριστό μηχανισμό τοξικότητας. Ωστόσο, με βάση τα αποτελέσματα των αναλύσεων με το GC/EI/MS δεν μπορούν να εξαχθούν ασφαλή συμπεράσματα για τον ακριβή μηχανισμό δράσης τους. Επίσης, δημιουργήθηκε ηλεκτρονική βιβλιοθήκη με τους μεταβολίτες που ανιχνεύτηκαν. Η παρούσα εργασία αποτελεί την πρώτη μελέτη του μεταβολισμού του βερτισιλλίου. Τα αποτελέσματα συνολικά ενίσχυσαν την ιδέα της πιθανής αξιοποίησής των υπό εξέταση νανοσωματιδίων ως καινοτόμα φυτοπροστατευτικά προϊόντα, για αυτό το λόγο στην συνέχεια εξετάστηκε η επίδρασή τους στην ανάπτυξη της λέμνας (Lemna minor L.). Παρόμοια με τα αποτελέσματα στο βερτισίλλιο, αποδείχθηκε η επίδραση της εισαγωγής τελικών ομάδων, όπου και πάλι το QPEI ήταν το λιγότερο τοξικό, καθώς επίσης επισημάνθηκε η επίδραση των τελικών ομάδων στο μηχανισμό τοξικότητάς τους. Επιπρόσθετα, επισημάνθηκε η σημασία της εξέτασης και μικρότερων δόσεων για την καλύτερη κατανόηση της επίδρασης των νανοσωματιδίων. Τέλος, βρέθηκε ότι η λέμνα αυξάνει τη δραστηριότητα των αντιοξειδωτικών ενζύμων ως απόκριση στο στρες που προκαλούν τα νανοσωματίδια. Σε δεύτερο στάδιο, μελετήθηκε η επίδραση της εφαρμογής υποχλωριώδους νατρίου κατά την απολύμανση του θρεπτικού διαλύματος (ΘΔ) υδροπονικής καλλιέργειας τομάτας στην θρέψη, ανάπτυξη και παραγωγή των φυτών τομάτας καθώς και την ασφάλεια των τελικών προϊόντων. Η απολύμανση του ΘΔ αποτελεί συνήθη γεωργική πρακτική για την αντιμετώπιση των εδαφογενών παθογόνων που αναπτύσσονται σε αυτό, χωρίς αυτό να υποστηρίζεται από πειραματικά δεδομένα σχετικά με την επίδραση της μεθόδου στα καλλιεργούμενα φυτά. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης έδειξαν ότι το εφαρμοζόμενο πρωτόκολλο απολύμανσης δεν προκάλεσε προβλήματα φυτοτοξικότητας ή θρέψης στην καλλιέργεια της τομάτας. Η συγκέντρωση των 2,5 μg mL-1 χλωρίου οδήγησε σε σημαντική αύξηση της παραγωγής για την οποία απαιτείται περαιτέρω διερεύνηση για την εξήγηση αυτής της αύξησης. Επιπλέον, η ανάλυση υπολειμμάτων στους καρπούς της extra κλάσης έδειξε ότι δεν περιείχαν υπολείμματα των τοξικών για τον άνθρωπο χλωρικών και υπερχλωρικών ιόντων. Τέλος, κατά την φυτοπροστασία της καλλιέργειας με βάση τις αρχές της Ολοκληρωμένης Διαχείρισης Εχθρών και Ασθενειών (IPM) εφαρμόστηκε spinosad για την αντιμετώπιση του λεπιδόπτερου Tuta absoluta. Για αυτό το λόγο, πραγματοποιήθηκε, επιπλέον, ανάλυση υπολειμμάτων στην οποία δεν βρέθηκαν υπολείμματα spinosad, συσχετίζοντας την υδροπονική καλλιέργεια με την παραγωγή ασφαλέστερων τροφίμων. Αναγνωρίζοντας, λοιπόν, το διεπιστημονικό χαρακτήρα της αειφορικής αντιμετώπισης των εδαφογενών παθογόνων η παρούσα διατριβή απαντά σχετικά ερωτήματα προσπαθώντας να ενισχύσει τη βιώσιμη γεωργία.

Sustainability in agriculture is a complex and multifaceted issue. In terms of plant protection, plant diseases can lead to significant reduction in yield of crops and soilborne pathogens are a major challenge as there is a shortage of pesticides against them. As a result, a holistic approach is imperative and innovative solutions need to be found against them. Within this context, in the present dissertation, the efficacy and phytotoxicity of hyperbranched polyethyleneimine (HPEI) nanoparticles with different molecular weights and ending functional groups - with guanidinium (GPEI) groups and quaternary ammonium groups (QPEI) were tested to clarify if they could be employed against soilborne phytopathogens. The results showed the effect of molecular weight, which was proportional to their bioactivity, as well as the effect of the ending functional groups, since it was found that QPEI was the least toxic. Based on these results, three nanoparticles (HPEI, GPEI, QPEI) with the same molecular weight (25000 Da) were selected to further study their efficacy and ecotoxicity. In more detail, the efficacy of these nanoparticles in the soilborne pathogen Verticillium dahliae, and their effect on its metabolism, were examined. The comparative study of HPEI, GPEI and QPEI showed that the functionalization of HPEI with quaternary ammonium groups (QPEI) leads to reduced efficacy against the fungus, while the functionalization with guanidinium groups (GPEI) results in higher toxicity against V. dahliae. Furthermore, according to the metabolomics analysis, the nanoparticles seem to possess a distinct mechanism of action. However, the data obtained from the chemical analysis with GC/EI/MS are not sufficient to detect their exact mode of action. Moreover, an electronic library was created with the metabolites detected. Also, to the best of our knowledge, this is the first study of the metabolism of Verticillium dahliae in literature. Altogether, the results reinforced the idea of the possible use of HPEI-based nanoparticles as novel nanopesticides, for this reason their effect on the growth of Lemna minor L. was examined, too. Similarly to the results in the verticillium study, the effect of the type of the ending groups on the growth of L. minor was demonstrated since QPEI was found to be the least toxic, as well as the effect of the type of the ending groups on their mechanism of toxicity. Additionally, the importance of testing lower doses for a better understanding of the impact of nanoparticles was highlighted. Finally, L. minor was found to increase the activity of antioxidant enzymes in response to nanoparticles. In the second step, the effect of disinfection of the nutrient solution in a hydroponic tomato culture by applying sodium hypochlorite was studied on the nutrition, growth and yield of tomato plants and the safety of tomato fruits. The disinfection of the nutrient solution is a common agricultural practice for the treatment of soilborne pathogens that grow in it. However, there is a lack of corresponding knowledge-information from the academic community. The results of this study showed that the disinfection protocol applied did not cause any phytotoxicity or nutritional problems in tomatoes. In fact, the concentration of 2.5 μg mL-1 chlorine led to a significant increase in yield. However, further investigation is needed to explain this increase. Moreover, residues analysis of the fruits (extra class) showed that they did not contain residues toxic to humans’ chlorates and perchlorates. Finally, during the applied plant protection of tomato culture based on the principles of IPM, a spinosad-based insecticide was used to control the lepidoptera Tuta absoluta infestation. For this reason, an additional residue analysis was performed in which no spinosad residues were found, pointing out thus that the applied plant protection based on IPM enhances the safety of the tomato fruits. Recognizing the interdisciplinary nature of the sustainable management of soilborne pathogens, this dissertation answers relevant questions in an effort to enhance sustainable agriculture.