Czujniki zapachu mogą okazać się pomocne w walce ze szkodnikami niszczącymi uprawy
W odpowiedzi na atak roślinożerców lub patogenów rośliny uwalniają zapachy (związki lotne). W dużej mierze dzięki pracy Teda Turlingsa z Uniwersytetu w Neuchâtel (strona w języku francuskim) wiadomo, że te koktajle chemiczne są dopasowywane do charakteru ataku. Turlings odkrył jakiś czas temu, że reakcja roślin na ataki gąsienic jest inicjowana przez wydzieliny z otworów gębowych owadów, które uwalniają zapach atrakcyjny dla pasożytniczych os. „Rośliny aktywnie rozpoznają, co je atakuje, a następnie postępują zgodnie z zasadą mówiącą, że wróg mojego wroga jest moim przyjacielem”, mówi Turlings, który pełnił rolę koordynatora projektu AGRISCENTS. Projekt AGRISCENTS, dofinansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych, miał na celu ustalenie, czy specjalne czujniki mogłyby wykrywać ataki szkodników na podstawie zapachów roślin uprawnych, a w dalszej perspektywie zakładał wyposażenie w te czujniki robotów rolniczych, które umożliwiłyby rozpoznawanie inwazji i podejmowanie szybkich działań zaradczych.
Coraz poważniejszy problem
Obecnie na całym świecie mamy do czynienia z rozprzestrzenianiem się inwazyjnych gatunków owadów zjadających rośliny uprawne. Motyl z gatunku Spodoptera frugiperda wykryty po raz pierwszy w Afryce w 2016 r. szybko rozprzestrzenił się na całym kontynencie. Szacuje się, że jego gąsienice powodują szkody o rocznej wartości 2-6 mld USD, co oznacza groźbę głodu dla milionów ludzi. Od tego czasu owad zaatakował Azję, a ostatnio dotarł także do Europy (na Wyspy Kanaryjskie oraz Grecji i Rumunii). Projekt AGRISCENTS koncentrował się na kukurydzy, którą szczególnie upodobały sobie te owady. „Utrata plonów kukurydzy z powodu ataków szkodników ma poważne konsekwencje gospodarcze i związane z bezpieczeństwem żywnościowym, które możemy pomóc złagodzić”, dodaje Turlings. Kukurydza jest łatwa w uprawie i szybko wydziela silne ochronne substancje lotne, które maksymalną skuteczność osiągają po około 8 godzinach.
Skuteczne rozwiązanie detekcyjne
Zespół AGRISCENTS przetestował dwa dostępne czujniki. Jeden z nich jest urządzeniem mechanicznym, wykorzystującym 12 małych tarcz pokrytych różnymi polimerami, które powodują zmianę kształtu tych tarcz pod wpływem kontaktu z substancjami lotnymi. Choć taka zmiana może zostać zarejestrowana przez komputer, dostępnych jest niewiele informacji na temat zachodzących interakcji chemicznych. Drugim, bardziej czułym urządzeniem jest specjalny spektrometr mas, który pozwala uzyskiwać więcej informacji chemicznych w czasie rzeczywistym poprzez pomiar masy badanych cząsteczek. „Choć urządzenie stanowi doskonałe potwierdzenie słuszności koncepcji, to waży około 100 kg i kosztuje ponad 300 000 USD. Na szczęście wkrótce dostępne będą mniejsze i tańsze aparaty”, stwierdza Turlings. Plan zakłada zamontowanie bardziej poręcznych i tańszych czujników w robotach rolniczych zajmujących się patrolowaniem upraw. Oprogramowanie umożliwiłoby robotom zgłaszanie problemów zarządcom gospodarstw i natychmiastowe stosowanie odpowiednich zabiegów, dając możliwość ograniczenia aplikacji pestycydów wyłącznie do miejsc, w których jest to konieczne.
Wymierne rezultaty
Szybki postęp w pracach nad czujnikami pozwolił zespołowi opracować strategię spin-off wykorzystującą zabijające owady nicienie (mikroskopijne robaki), które mogłyby pozwolić na uniknięcie stosowania pestycydów. Gąsienice zwykle nie mają styczności z nicieniami, które są w stanie zabić je w ciągu 2 dni. W ramach projektu opracowano specjalny żel zawierający nicienie, który można wstrzykiwać bezpośrednio do środka kukurydzy zaatakowanej przez gąsienice. W warunkach intensywnego rolnictwa mogłyby zajmować się tym roboty rolnicze, ale w Afryce trzeba by to wykonywać ręcznie co tydzień przy użyciu pistoletów do uszczelniania i bez czujników, ponieważ na tym kontynencie kukurydza jest nieustannie atakowana przez Spodoptera frugiperda. „Testy w Rwandzie przeprowadzone z użyciem lokalnych nicieni okazały się równie skuteczne jak syntetyczne pestycydy, zwiększając plony kukurydzy o jedną tonę na hektar. Chociaż rozwiązanie to jest droższe niż stosowanie pestycydów, w przypadku precyzyjnego użycia koszty powinny ulec obniżeniu, przynosząc jednocześnie korzyści dotyczące zdrowia i środowiska”, mówi Turlings.
Plany ochrony Europy przed ważnymi szkodnikami
Spodoptera frugiperda został obecnie uznany przez Komisję Europejską za „agrofaga priorytetowego”, która określiła wzmocnione środki mające na celu zapobieganie jego rozprzestrzenianiu się w Europie. Pandemia COVID ograniczyła zakres celu projektu, jakim było stworzenie katalogu substancji lotnych odpowiadających szerokiemu zakresowi ataków szkodników, ale zespół prowadzi teraz te działania w ramach obecnego unijnego projektu PURPEST, opracowując i testując w terenie detektory zapachowe mające chronić europejskie uprawy przed rosnącymi zagrożeniami.
Słowa kluczowe
AGRISCENTS, uprawa, kukurydza, gąsienica, robot, sztuczna inteligencja, Spodoptera frugiperda, rolnictwo, substancje lotne, czujnik, szkodnik
