Махдия Хасани, CPHAZ, Департамент пищевых наук, Университет Гвельфа, Онтарио Д-р Татьяна Кучма, Сельское хозяйство и агропродовольствие Канады, Гвельф, Онтарио Автор-корреспондент доктор Кейт Уорринер, CPHAZ, Департамент пищевых наук, Университет Гвельфа, Онтарио По мере того, как ученые и компании спешат найти вакцину от SARS-CoV-2, появляется новая область модулирования защиты растений для защиты от патогенов растений, которые приводят к неурожаю или преждевременной порче. Традиционно защита растений перед сбором урожая заключается в применении пестицидов и сдерживании патогенов. Во время послеуборочной обработки делаются попытки уменьшить микрофлору порчи путем промывки в сочетании с поддержанием оптимальных условий хранения (Али и др., 2018). Тем не менее, растения разработали защитные системы для защиты от вторжения потенциальных патогенов, которые можно использовать для увеличения срока хранения естественным образом.

Несколько биологических, химических и физических подходов к модуляции защитных механизмов растений подпадают под термин гормезис, который происходит от греческого слова «приводить в движение». По сути, гормезис применяется для описания процесса, который при введении в малых дозах вызовет защитный эффект - то есть то, что вас не убивает, делает вас сильнее. Далее будет представлен обзор текущего прогресса основанных на УФ-излучении методов модуляции защиты растений для обеспечения защиты от микробных и аутолитических процессов. Такой подход предлагает способ уменьшить зависимость от пестицидов для борьбы с патогенами растений и продлить срок хранения, тем самым положительно влияя на пищевые отходы. Защита растений от патогенов и стресса Вакцины были одним из первых достижений современной науки и ключом к борьбе со смертельными заболеваниями, такими как оспа и корь.

Вакцины, по сути, работают, заставляя иммунную систему быстро реагировать, когда организм подвергается атаке со стороны целевого инфекционного агента. Как и люди, растениям пришлось развить защитные системы для защиты от патогенов, насекомых и стрессов окружающей среды (солнце, жара, сквозняки). Очевидно, что защитные системы растений сильно отличаются от систем защиты человека, хотя в некотором смысле они похожи с точки зрения различных уровней активации. В частности, у растений есть врожденная система защиты, которая является конститутивной и включает физические барьеры (например, клеточные стенки, восковое покрытие) в дополнение к антимикробным средствам, таким как эфирные масла. Второй уровень защиты - это локализованная индуцированная резистентность (LIR), которая защищает от условно-патогенных микробов, продуцируя антимикробные соединения, но без некроза (повреждение тканей растений).

При столкновении с вторгающимся патогеном индуцируется гиперчувствительный ответ (HR), который вызывает окислительный взрыв, который приводит к локализованному некрозу, сдерживающему распространение патогена. В то же время растительные гормоны (салициловая кислота, жасмоновая кислота и этилен) циркулируют по растению через сосудистую систему, чтобы активировать гены HR, которые активируются системной приобретенной устойчивостью (SAR). Подобно тому, как люди получают вакцину, SAR заставляет HR растения быстро реагировать на патогены растений. Что касается УФ-индукции, цель состоит в том, чтобы активировать LIR и SAR для обеспечения защиты от патогенов и насекомых, тем самым предотвращая распространение инфекции, не приводя к запрограммированной гибели растений перед сбором урожая или порче после сбора урожая (Zhang and Jiang 2019). Предуборочная обработка УФ-В и УФ-С УФ-B индукция защиты растений растение-вакцины-рис1 Рисунок 1.

Схема воздействия ультрафиолетового света (УФ-В и УФ-С) на системы защиты растений. Немедленная реакция на воздействие ультрафиолета - это окислительный выброс свободных радикалов, который стимулирует синтез фенольных соединений и окислительно-восстановительных ферментов. На сегодняшний день большая часть работ по защите растений от УФ-излучения связана с УФ-В (от 280 до 315 нм), при котором дозы применяются в течение нескольких дней (Ballare et al. 2011). Влияние УФ-В на защитные силы растений остается активной областью исследований, и многие аспекты еще предстоит выяснить.

В настоящее время считается, что при первоначальном воздействии на растения УФ-В происходит выброс радикальных форм кислорода (АФК), которые затем стимулируют синтез окислительно-восстановительных ферментов (каталаза, глутатионредуктаза, супероксидаза-дисмутаза) и фенольных (антиоксидантных). ) соединения (Ядав и др.) (Рисунок 1). Что касается последнего, то типы и концентрация фенольных кислот меняются в процессе воздействия. Например, гидроксикоричная кислота относится к числу первых фенольных соединений, которые обеспечивают прямую защиту, поглощая УФ-фотоны и действуя как антиоксидант.

Другие нефлавоноиды развиваются при длительном воздействии УФ-В и специфичны для растений. Например, галловая кислота и кофейная кислота накапливаются в винограде в течение семи дней воздействия УФ-В. Более значительным является синтез флавоноидов, таких как антоцианы, которые действуют как антиоксиданты, хелатирующие агенты, ароматизирующие соединения и противомикробные средства (Barrera et al.2020). Взрыв свободных радикалов также стимулирует синтез растительного гормона салициловой кислоты, который активирует одну из основных ветвей системы защиты растений (Bravo et al.

2019). В частности, салициловая кислота приводит к утолщению стенок растительных клеток и закрытию устьиц, тем самым повышая физическую защиту от вторжения патогенов. Ферменты, разрушающие клеточную стенку, ингибируются, тем самым замедляя размягчение, и гены PR активируются как часть SAR. В совокупности индукция окислительно-восстановительных ферментов, накопление фенольных соединений и активация SAR в совокупности повышают устойчивость растений к стрессу наряду с устойчивостью к патогенам растений (рис. 1).

Однако чрезмерное воздействие УФ-В приводит к старению из-за чрезмерной активации SAR в дополнение к активации регуляторных путей жасмоновой кислоты. УФ-C индукция защиты растений УФ-С (от 200 до 280 нм) может напрямую инактивировать микробы за счет реакции с нуклеиновыми кислотами, вызывающими летальные мутации, и белками, влияющими на функцию клеток. Следовательно, патогены растений могут быть напрямую инактивированы УФ-С, хотя следует отметить, что нуклеиновые кислоты растений также могут быть затронуты, что приводит к негативным последствиям для здоровья растений. Влияние УФ-С на индукцию защиты растений еще предстоит выяснить, и ведутся споры о том, следует ли оно за УФ-В или является отчетливым (Zhang and Jiang 2019). Сообщалось, что такой же всплеск АФК, наряду с повышением регуляции окислительно-восстановительных ферментов и индукцией SAR, происходит при воздействии УФ-С, как и при УФ-В (Arrouft and Urban, 2020).

Однако, в отличие от УФ-В, продолжительность УФ-С измеряется в секундах, а не в днях. Согласно исследованиям, проведенным на сегодняшний день, интенсивность УФ-С более критична, чем общая доза, при этом эффективность составляет 1 кДж / м 2 . Кроме того, растения также необходимо выдерживать в течение четырехчасового темного периода после воздействия УФ-С (Янисевич и др., 2016). Применение УФ-обработки к помидорам или салату , инокулированным Botrytis cinereal , позволило снизить образование поражений, вызываемых патогенами растений, на 35% и 17% соответственно (Arrouft and Urban, 2020).

В еще одном примере растения клубники, обработанные один раз в неделю 60-секундным воздействием УФ-С (21 мВт / м 2 ), могут эффективно устранить плесень, вызываемую Podosphera aphanis (Janisiewicz et al., 2016). Помимо активации защитных сил растений, вполне вероятно, что УФ-С влияет на физиологию плесени, вызывающей плесень. Действительно, есть свидетельства того, что УФ-С подавляет прорастание спор плесени, тем самым эффективно делая микроб нежизнеспособным (Zhu et al.2019).

Предполагается, что четырехчасовой период выдержки после воздействия УФ-С предотвращает фоторепарацию поврежденной ДНК, хотя механизм остается неясным (Takeda et al.2019). Можно предположить, что будущие исследования, вероятно, обнаружат, что защитный эффект от плесени является комбинацией физиологических изменений растений, опосредованных УФ-С, и плесени, вызывающей плесень. Обработка сельскохозяйственных культур ультрафиолетовым излучением (клубника, томаты, базилик, салат) для борьбы с плесенью изучается в Европе, Флориде и Калифорнии с целью устранения или, по крайней мере, сокращения использования химических фунгицидов. Подобно УФ-В, чрезмерное воздействие УФ-С на растения приводит к пагубным последствиям с дозами> 230 Дж / м 2 или чрезмерным повторением обработки, что приводит к повреждению, задержке цветения и задержке роста.

Эффект передозировки УФ-С более критичен по сравнению с УФ-В, хотя он, вероятно, зависит от типа растения и физиологического состояния. Послеуборочная обработка УФ-В и УФ-С Было проведено относительно мало исследований влияния УФ-В на послеуборочную свежую продукцию, вероятно, из-за того, что требуется длительное время воздействия. Тем не менее, были проведены исследования с УФ-С как с точки зрения микробной инактивации, так и с точки зрения воздействия на физиологию растений. Что касается последнего, было продемонстрировано, что воздействие на растения шпината УФ-С (1,5 кДж / м 2 ) непосредственно перед сбором урожая увеличивало содержание антиоксидантов и увеличивало срок хранения после сбора урожая (Martinez-Sanchez et al.2019).

Аналогичным образом, предварительно собранные яблоки, подвергшиеся воздействию УФ-С, имели повышенную активность дегидрогеназы яблочной кислоты и сниженную концентрацию малата (острый яблочный вкус) во время хранения (Onik et al.2019). Было показано, что ультрафиолетовое излучение увеличивает скорость созревания бананов, томатов и цитрусовых (Hu et al.2019). Увеличение сахаров и снижение кислотности является результатом активации ферментов.

Интересно, что в цитрусовых фруктах УФ-А увеличивает содержание фруктозы, УФ-В - сахарозу и УФ-С глюкозу (Hu et al.2019). Это может указывать на то, что состав сахара (воспринимаемая сладость) можно регулировать, используя различные дозы при соответствующей длине волны УФ-излучения. Сообщается, что воздействие на фрукты УФ-С дозами 3,7 кДж / м 2 стимулирует противомикробные соединения для предотвращения заражения патогенами растений. Например, антоцианы в вишнях, ришитин в помидорах, скопарон в цитрусовых и 6-метоксимеллеин в моркови накапливаются под воздействием УФ-С, что усиливает контроль микробов порчи и может изменять профиль вкуса (Zhang and Jiang 2019) (Kokalj et al.

) (Гонсалес-Вильягра и др., 2020). Помидоры, обработанные УФ-светом, увеличивают содержание антиоксидантов во время хранения (Pataro et al. 2015). Такие ферменты, как полифенолоксидаза, супероксидаза-дисмутаза, пероксидаза, каталаза и фенилаланин-аммиалиаза, также стимулируются УФ-С, что может замедлить порчу, вызванную Botrytis, и защитить фрукты от окислительного повреждения (Jin et al.

, 2017). Кроме того, как и в случае обработки ультрафиолетом-C перед сбором урожая, послеуборочное воздействие бактерицидного ультрафиолета приводит к утолщению клеточной стенки при одновременном снижении активности разлагающих ферментов (пектинметилестеразы и полигалактуроназы), что делает фрукты более крепкими и снижает потерю влаги (Prasanna et al. 2007 ; Чарльз и др., 2008). Влияние обработки на основе газофазного окисления на срок годности фруктов Процесс газофазного усовершенствованного окисления (gAOP) - это метод, основанный на УФ-С, который генерирует гидроксильные радикалы в результате фоторазложения перекиси водорода и / или озона.

Процесс включает прохождение продукта, подлежащего обеззараживанию, через реактор gAOP, куда вводятся туман перекиси водорода и озон при одновременном освещении УФ-С (Hasani and Warriner, 2019). Было продемонстрировано, что газофазная обработка АОП напрямую инактивирует патогены человека и растений на яблоках, лимонах и других свежих продуктах (Murray et al. 2018; Hasani et al. 2019). растения-вакцины-рис2 Рис.

2. Внешний вид клубники, обработанной газофазным методом расширенного окисления (1,5% перекись водорода, УФ-C 64 кДж / см2 и озон), затем хранилась при 4 ° C в течение 15 дней. Для сравнения, необработанную клубнику хранили параллельно. Хотя никаких исследований влияния gAOP на физиологию растений не проводилось, наблюдались наблюдения за продлением срока хранения фруктов, выходящим за рамки уменьшения количества микробов. Например, клубника, обработанная ГАОП, сохраняла качество в течение 15-дневного периода хранения (рис.

2). Аналогичный эффект наблюдался для других мягких фруктов (ежевика, черника и малина), обработанных ГАОП, а затем хранился при 4 ° C в течение 16 дней. растения-вакцины-рис3 Рис. 3. Внешний вид лимонов, инокулированных Penicillium digitatum, затем обработанных газофазным процессом усовершенствованного окисления (1,5% перекись водорода, УФ-C 64 кДж / см2 и озон), затем хранили при комнатной температуре (23 ° C) в течение 20 дней.

Необработанные контроли показаны для сравнения. Лимоны, инокулированные Penicillium digitiam с использованием аппликатора зонда, который вводил споры плесени на 2 мм в кожуру плодов, обрабатывали gAOP, затем выдерживали при комнатной температуре в течение 10 дней. В контрольных группах, не получавших обработки gAOP, наблюдался сплошной рост плесени, в отличие от контрольных групп, обработанных gAOP, которые не демонстрировали никакого или незначительного роста (Фиг.3). В следующем примере авокадо (n = 18), обработанный ГАОП, сохранял качество в течение 10 дней при хранении.

Для сравнения, в необработанном контроле только три из 18 плодов оставались приемлемыми в конце периода хранения (Рисунок 4). растения-вакцины-фиг4 Рис. 4. Авокадо, обработанные газофазным методом расширенного окисления, затем хранящиеся в течение 10 дней при комнатной температуре. Авокадо проверяли ежедневно, а затем удаляли, когда порча превышала допустимую.

Для необработанного контроля (группа из двух слева) три плода были признаны приемлемыми по внешнему виду, хотя они стали мягкими вместе с обесцвечиванием внутренней мякоти. Для сравнения, авокадо, обработанные ГАОП, оставались приемлемыми в течение 10-дневного срока хранения. Интересно отметить, что основным признаком порчи авокадо было размягчение и изменение цвета внутренней мякоти. Учитывая, что gAOP - это обработка поверхности, вполне вероятно, что физиология авокадо изменилась. Аналогичный эффект наблюдался с мягкими фруктами, обработанными газовой плазмой, в результате чего образование свободных радикалов стимулирует синтез антиоксидантных соединений, которые обеспечивают защиту во время хранения после обработки (Pan et al.

2019). Будущая перспектива Усиленная защита растений, обеспечиваемая воздействием УФ-В, УФ-С или ГАОП, представляет собой новую область исследований, которая обещает снизить потребность в пестицидах в дополнение к увеличению срока хранения. Такие инициативы могут снизить риск переноса пестицидов в свежих продуктах и ​​распространения потенциально токсичных химикатов в окружающей среде. Увеличение срока хранения не только приносит экономические выгоды, но и снижает количество пищевых отходов. Учитывая, что область исследований является новой, существуют ключевые пробелы в знаниях о типе УФ-излучения, времени применения и судьбе ключевых биомаркеров (ферментов, метаболитов) во время послеуборочного хранения.

Это особенно верно, учитывая, что эффект обработки зависит от типа продукта, стадии развития растения, длины волны и продолжительности УФ-излучения. Сложность регулирования защиты растений, вероятно, будет означать, что существуют дополнительные факторы, делающие сложным процесс. Тем не менее, если удастся разработать «вакцину для растений», она обеспечит еще одно применение УФ-технологии помимо уменьшения количества микробов.