Улучшение морфофизиологических параметров растения перца при предпосевной обработке семян наночастицами цинка
- Авторы: Ольховская И.П.1, Крохмаль И.И.1,2, Глущенко Н.Н.1
-
Учреждения:
- Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
- ГАУК города Москвы “Парк Зарядье”
- Выпуск: Том 43, № 4 (2024)
- Страницы: 88-96
- Раздел: Химическая физика биологических процессов
- URL: https://journal-vniispk.ru/0207-401X/article/view/266400
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0207401X24040115
- EDN: https://elibrary.ru/VDYWRO
- ID: 266400
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Передовые нанотехнологии, позволяющие синтезировать наночастицы (НЧ) с заданными физико-химическими свойствами, предоставляют возможность изучения эффектов и механизмов воздействия НЧ на растения с целью повышения их продуктивности. В этом исследовании НЧ цинка в составе полимерного покрытия на основе карбоксиметилцеллюлозы и полиэтиленгликоля были использованы в качестве препарата для предпосевной обработки семян перца. Установлено, что НЧ цинка в концентрациях 10–5 % и 10–6 % в составе полимеров ускоряют рост растений, приводят к достоверному увеличению количества листьев, бутонов, объема корневой массы в среднем на 10–30% по сравнению с контрольными растениями. При этом в листьях растений при обработке семян НЧ цинка в концентрации 10–6% наблюдается увеличение содержания пролина на 58% (р ≤ 0.05), белка – на 20% (р ≤ 0.05). При обработке семян наночастицами цинка в концентрации 10–5% содержание сахара повышается на 36% (р ≤ 0.05), хлорофилла – на 52% (р ≤ 0.05) по сравнению с контролем.
Ключевые слова
Полный текст
ВВЕДЕНИЕ
Современные нанотехнологии все шире используются в различных направлениях растениеводства [1–3]. Одним из важных микроэлементов в жизнедеятельности растений является цинк. Показано, что наночастицы (НЧ) цинка влияют на прорастание семян [4, 5], стимулируют рост растений, увеличивают площадь листьев, сухую массу и урожайность кукурузы, а также биомассу корней люцерны, томатов, огурцов [6, 7]. Механизм взаимодействия НЧ с растительными клетками не совсем ясен. В частности, процессы проникновения и накопления наночастиц, биохимические и физические барьеры, предотвращающие попадание наночастиц в растительную клетку, трансформация наночастиц в растительной ткани и другие вопросы остаются без ответа. Понятно одно, что НЧ являются источником ионов металлов, которые связываются с биолигандами и белками-переносчиками и активно участвуют в метаболизме.
Эффективность действия НЧ цинка при стимуляции роста и развития у всех растений разная и зависит от концентрации металла. Особенно важным свойством НЧ цинка является их способность защищать различные растения от воздействия абиотических факторов среды, фитопатологий и вирусных инфекций через механизмы регуляции метаболизма, повышения скорости генерации адезинтрифосфата, антиоксидантной защиты [8–10]. При использовании НЧ цинка в качестве удобрения есть опасения их влияния на компоненты почвы и микробиом, а впоследствии – и на структуру растений. Токсическое воздействие наночастиц цинка оксида на растения и микробы может быть обусловлено различными механизмами, включая образование активных форм кислорода, дестабилизацию лизосом и повреждение ДНК. Это свойство наночастиц оксида цинка широко используется в пищевой промышленности при производстве упаковок. Включение наночастиц оксида цинка в системы доставки пищевых/кормовых биоактивных ингредиентов способствует повышению качества и безвредности продуктов питания, сохранности и безвредности продуктов питания [11]. В связи с этим, введение НЧ цинка в состав биопрепарата для питания растений является перспективным.
Для решения вопроса безопасности НЧ цинка в качестве удобрения предложены несколько вариантов: внекорневая подкормка, биокультивирование посадочного материала в асептических условиях и введение НЧ в покрытие для семян [12–14]. В работе рассматривается вариант предпосевной обработки семян НЧ цинка в составе полимерного покрытия. На наш взгляд, такой подход позволяет обеспечить индивидуальную доставку элемента каждому растению и экологическую безопасность.
Цель настоящего исследования – выяснение биологических последствий обработки семян наночастицами цинка в составе полимеров на морфофизиологические показатели растений перца в вегетативный период.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Материалы и методы
Наночастицы цинка были получены методом высокотемпературной конденсации на установке Миген-3 [15]. Исследование физико-химических характеристик НЧ цинка было проведено сотрудниками Лаборатории нано- и микроструктурного материаловедения ИНЭПХФ РАН.
Объектом исследования была выбрана культура растения перца Capsicum annuum L., сорта Задира. Для проведения предпосевной обработки семян перца была использована композиция на основе Na-карбоксиметилцеллюлозы и полиэтиленгликоля-400, в которую вводили суспензию наночастиц металлов в нужной концентрации. Подготовку биопрепаратов проводили по схеме, описанной в работе [14]. Далее семена обрабатывали полимером с НЧ цинка. Схема опытов представлена на рис. 1.
Рис. 1. Схема проведения опыта.
Для выращивания растений в подготовленные ящики с почвой раскладывали по 5 шт семян. Ящики помещали на стеллажи с контролируемым постоянным режимом: температура – 22–25 °С, влажность – 36%, освещенность – 3500–3000 люкс в режиме свет/темнота 12/12 ч/сут. Через 15 сут проверяли всхожесть семян. Через 60 сут роста и развития растений в фазе цветения оценивали следующие морфометрические показатели: высоту растений, количество листьев, длину и ширину корней, количество бутонов, сырую массу надземной части растений и корней, а также следующие биохимические показатели: содержание белка, пролина, сахара, хлорофилла А, В и общего в листьях перца.
Содержание белка в листьях определяли методом Лоури [16]. В качестве стандарта использовали бычий сывороточный альбумин [16]. Свежий растительный материал (0.5 г) растирали в фарфоровой ступке с 2 мл с концентрацией фосфатного буфера 0.2 моль/л (рН 8.0). Гомогенат заливали 10 мл холодного раствора 5.0%-ной трихлоруксусной кислоты, перемешивали и помещали на 20 мин в холодильник. Далее осаждали белок центрифугированием при скорости вращения V = 6000 об./мин в течение 15 мин. После центрифугирования надосадочную жидкость сливали. Осадок промывали охлажденным 96%-ным этанолом до полного исчезновения зеленой окраски надосадочной жидкости. После повторного центрифугирования к промытому осадку добавляли 2 мл раствора 0.5 н NaOH. Пробирки помещали на кипящую баню на 5 мин, приливали еще 5 мл раствора 0.5 н NaOH, перемешивали и центрифугировали в течение 10 мин при V = 6000 об./мин. Надосадочную жидкость переносили в мерный стакан и измеряли общий объем щелочного гидролизата. К 1 мл щелочного гидролизата добавляли 5 мл смеси растворов (50 частей 2%-ного Na2CO3 в 0.1 н NaOH + 1 часть 0.5%-ной CuSO4 · 5H2O в 1.0%-ном растворе виннокислого калия V = натрия) и 0.5 мл реактива Фолина. Оптическую плотность белка измеряли при длине волны λ = 750 нм.
Содержание хлорофилла в свежих листьях растений определяли при 50%-ном цветении. Оценку содержания хлорофилла проводили методами Arnon [17] и Kirh [18]. К 1 мл гомогената растертых листьев добавляли 4 мл 80%-ного (по объему) ацетона и давали постоять в темноте при комнатной температуре в течение 10 мин. Далее центрифугировали при V = 2000 об./мин в течение 5 мин. Супернатант использовали для определения хлорофилла методом спектрофотометрии. Оптическую плотность хлорофилла А определяли при λ = 645 нм, хлорофилла В – при λ = 663 нм на спектрофотометре Hitachi U-3900 компании Hitachi (Japan). Концентрацию хлорофиллов рассчитывали по уравнениям для 80%-ного ацетона (по Вернону): Cхл.А = 11.63D663 – 2.39D645; Схл.В = 20.11D645 – 5.18D663; Cхл.А + хл.В = 6.45D663 + 17.7D645, где С –концентрация хлорофилла, D – значение оптической плотности при данной длине волны.
Содержание сахара в листьях перца на стадии цветения оценивали по методу Dubo et al. [19], модифицированному Johnson et al. [20]. Свежий растительный материал (0.5 г) гомогенизировали с 10 мл дистиллированной воды. Далее центрифугировали при V = 3000 об./мин в течение 5 мин. Затем к 0.1 мл надосадочной жидкости добавляли 1.5 мл фенола. После 1 ч инкубации при комнатной температуре добавляли 5 мл концентрированной H2SO4. Поглощение каждого образца регистрировали при λ = 420 нм. Концентрацию определяли по калибровочной кривой.
Содержание пролина определяли с помощью нингидринового реактива (1.25 г нингидрина + 30 мл ледяной уксусной кислоты + 20 мл 6 М H3PO4.) по методу, описанному в работе [21]. Навеску листовой пластики (200 мг) заливали 5–20 мл кипящей дистиллированной воды и выдерживали в течение 10 мин на водяной бане при температуре 100 °С. В чистую пробирку заливали 2 мл ледяной уксусной кислоты, 2 мл нингидринового реактива и 2 мл приготовленного экстракта. Пробы инкубировали в течение 20 мин на водяной бане при температуре 100 °С, охлаждали при комнатной температуре и измеряли оптическую плотность при λ = 520 нм на спектрофотометре компании Hitachi U-3900 (Japan). Содержание пролина рассчитывали с помощью калибровочной кривой, используя для построения химически чистый пролин производства компании Sigma-Aldrich (USA).
Статистическую обработку данных осуществляли в программах Microsoft Excel 2010 и Statistica 20 (“StatSoft, Inc.”, USA). Определяли средние значения изучаемых показателей (М) и стандартные ошибки среднего (±SEМ). Достоверность различий между вариантами оценивали методами параметрической (t-критерий Стьюдента) статистики. Различия между вариантами считали статистически значимыми при доверительной вероятности p ≤ 0.05.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Современное развитие нанотехнологий открывает новые перспективы в совершенствовании способов выращивания овощных культур [1–3]. Один из путей получения высоких урожаев – использование высококачественного посадочного материала, который растят в асептических условиях на питательных средах с наночастицами металлов-микроэлементов вместо солей [13].
Другим вариантом использования нанотехнологий является предпосевная обработка семян наночастицами микроэлементов в составе полимерного покрытия. Идея такой обработки семян связана, во-первых, с необходимостью обеспечения каждого растения микроэлементами, а во-вторых, с предупреждением загрязнения почвы наночастицами, которые в силу своей высокой реакционной способности могут оказывать отрицательное воздействие на химический состав почвы и почвенный микробиом [22].
Используемые НЧ цинка представляют собой монокристаллические структуры круглой правильной формы. Кривая распределения наночастиц цинка лежит в области размеров в области 0–250 нм. Средний диаметр полученных частиц цинка составляет (60.6 ± 3.7) нм. Оксидных фаз методом рентгенофазового анализа не обнаружено не было (рис. 2).
Рис. 2. Физико-химические характеристики наночастиц цинка: а – изображение НЧ цинка, полученное методом просвечивающей электронной микроскопии; б – кривая распределения НЧ по размерам; в – рентгенограмма НЧ.
Для оценки влияния предпосевной обработки семян перца препаратами с НЧ цинка на продуктивность растений были измерены морфометрические показатели, представленные на рис. 3. Видно, что предпосевная обработка семян перца наночастицами цинка в концентрациях 10–5% и 10–6% в составе полимеров приводит к увеличению длины корней, сырой массы надземной части растений, к достоверному увеличению количества листьев и бутонов, объема корневой массы в среднем на 10–30% по сравнению с контрольными образцами – растениями, выращенными из семян, необработанных препаратами. Активное влияние НЧ цинка на вегетативный рост растений наблюдали и другие авторы. Так, при обработке семян канолы сортов Faisal canola и Shiralee опрыскиванием суспензией, содержащей наночастицы цинка в концентрации 15 мг/л, наблюдали увеличение числа побегов у Faisal canola на 25% и у Shiralee на 29% по сравнению с необработанными контрольными растениями [12].
Рис. 3. Изменение морфометрических показателей растений перца, выращенных из семян, обработанных препаратом с наночастицами цинка: 1 – контроль (необработанные семена); 2 – предпосевная обработка семян НЧ цинка в концентрации 10–5%; 3 – предпосевная обработка семян НЧ цинка в концентрации 10–6%; * — достоверность изменений по критерию Стьюдента р ≤ 0.05.
Ранее сообщалось о положительном влиянии НЧ цинка на рост других видов растений, что подтверждает наши выводы. Показано, что внекорневая подкормка растений наночастицами цинка увеличивает высоту побегов, длину и массу корней проса [23], биомассу корней и побегов маша, кукурузы и подсолнечника [6, 24, 25], стимулирует рост лука, нута, арахиса [26–28].
Помимо влияния наночастиц цинка на морфометрические показатели, предпосевная обработка семян перца способствует изменениям физиологической реакции растений на воздействие НЧ. Хлорофилл и каротиноиды играют незаменимую роль в процессе фотосинтеза, определяя фотосинтетическую способность растений. Содержание хлорофилла и каратиноидов может изменяться в зависимости от условий роста, состояния, здоровья и различных факторов окружающей среды [29]. При изучении влияния НЧ цинка на содержание пигментов листьев канолы [12], арахиса [28], томатов [13], фасоли [30], кинзы [31] установлена положительная тенденция в изменении содержания пигментов. Следует отметить, что эти эффекты являются дозозависимыми: в больших концентрациях, вплоть до 400 мг/л, обработка наночастицами цинка приводит к фитотоксическому действию [32].
На рис. 4 представлены данные по влиянию предпосевной обработки наночастицами цинка в составе полимеров на изменение содержания фотосинтетических пигментов листьев перца. Видно, что предпосевная обработка семян перца наночастицами цинка в составе полимеров в концентрации 10–5% приводит к увеличению хлорофилла А на 19.5%, хлорофилла В – на 44%, общего хлорофилла – на 25% по сравнению с контрольными образцами. Предпосевная обработка семян перца НЧ цинка в составе полимеров в концентрации 10–6% приводит к снижению содержания хлорофилла А на 55% и к достоверному увеличению хлорофилла В на 44%. Положительное воздействие препаратов цинка в концентрации 15 · 10–3% на содержание фотосинтезирующих пигментов (хлорофилла А – на 47–50%, хлорофилла на В – на 46–54%) при обработке семян канолы наблюдали идругие исследователи [12].
Рис. 4. Изменение содержания хлорофилла А, хлорофилла В и общего хлорофилла в листьях перца после предпосевной обработки семян наночастицами цинка в составе полимеров: 1 – контроль (необработанные семена); 2 – предпосевная обработка семян НЧ цинка в концентрации 10–5%; 3 – предпосевная обработка семян НЧ цинка в концентрации 10–6%; * — достоверность изменений по критерию Стьюдента р ≤ 0.05.
Изменение концентрации пролина, растворимых белков и сахаров в листьях перца, выращенных из семян, обработанных НЧ цинка представлены на рис. 5. Предпосевная обработка семян препаратами с НЧ Zn в концентрациях 10–5% и 10–6% приводит к увеличению содержания пролина в листьях перца соответственно на 4% и 58% (р ≤ 0.05) по сравнению с контрольными растениями. Содержание сахара достоверно увеличивается на 36% в листьях при обработке семян НЧ цинка в концентрации 10–5%. Содержание белка в листьях перца увеличивается на 12 и 20% (р ≤ 0.05) при обработке семян НЧ цинка соответственно в концентрациях 10–5% и 10–6% по сравнению с контрольными растениями. Однако наблюдаемые морфофизиологические показатели растения перца далеки от объяснения механизмов воздействия НЧ цинка. В этом отношении особое место занимает исследование авторов по оценке протеома и скорости экспрессии гена при обработке семян НЧ цинка. Протеомный анализ и анализ экспрессии генов листьев растений, семена которых были обработаны НЧ цинка, показал, что НЧ обладают способностью влиять на уровни белка и транскрипцию генов, что может объяснить причину изменения морфологических и физиологических параметров [12]. Отсутствие достаточного экспериментального материла, ограниченное число публикаций об участии наночастиц цинка в экспрессии генов, связанных с ростом и продуцированием, не позволяет понять молекулярную роль этих НЧ в физиологических процессах растений. Работы в этом направлении будут продолжены.
Рис. 5. Изменение содержание пролина, растворимых сахаров и белка в листьях растения перца после предпосевной обработки семян наночастицами цинка в составе полимеров: 1 – контроль (необработанные семена); 2 – предпосевная обработка семян НЧ цинка в концентрации 10–5%; 3 – предпосевная обработка семян НЧ цинка в концентрации 10–6%; * — достоверность изменений по критерию Стьюдента р ≤ 0.05.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Использование передовых технологий в растениеводстве позволит решить важнейшую продовольственную проблему. Предложено проводить предпосевную обработку семян перца наночастицами цинка в составе полимерного покрытия. Такой способ позволит обеспечить жизненно необходимым микроэлементом каждое растение и обезопасить почву от загрязнения наночастицами. Проведенные исследования свидетельствуют об улучшении морфометрических показателей растения перца в вегетативный период, а также о повышении содержания фотосенсизирующих пигментов, белка, пролина, сахара в листьях растений. Такие изменения морфофизиологических параметров растений являются предпосылкой для увеличения урожайности перца.
Исследование было поддержано грантом Российского научного фонда № 22-26-00109.
Об авторах
И. П. Ольховская
Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Email: nnglu@mail.ru
Россия, Москва
И. И. Крохмаль
Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук; ГАУК города Москвы “Парк Зарядье”
Email: nnglu@mail.ru
Россия, Москва; Москва
Н. Н. Глущенко
Федеральный исследовательский центр химической физики им. Н.Н. Семёнова Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: nnglu@mail.ru
Россия, Москва
Список литературы
- Siddiqi K.S., Husen A. // Crit Rev Biotechnol. 2022. V. 42. № 7. P. 973. https://doi.org/10.1080/07388551.2021.1975091
- Aqeel U., Aftab T., Khan M.M.A. et al. // Chemosphere. 2022. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132672
- Калинина И.Г., Иванов В.Б., Семенов С.А. и др. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 6. С. 71. https://doi.org/10.31857/S0207401X21060054
- De la Rosa G., Lopez-Moreno M. L., de Haro D. et al. // Pure Appl. Chem. 2013. V. 85. P. 2161. https://doi.org/10.1351/pac-con-12-09-05
- Meena D.S., Jayadeva H.M., Gautam C. et al. // Intern. J. Plant Soil Sci. 2017. V. 16. P. 1. https://doi.org/10.9734/ijpss/2017/33687
- Taheri M., Qarache H.A., Qarache A.A. et al. // STEM Fellowship J. 2016. V. 1. P. 17. https://doi.org/10.17975/sfj-2015-011
- Sofy A.R., Sofy M,R., Hmed A.A. et al. // Molecules. 2021. V. 26. № 5. P. 1337. https://doi.org/10.3390/molecules26051337
- Yasmin H., Mazher J., Azmat A. et.al. // Ecotoxicol Environ Saf. 2021. V. 218. P. 112. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112262
- Faizan M., Bhat J.A., Chen C. et al. // Plant Physiol Biochem. 2021. V. 161. P. 122. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.02.002
- Базунова М.В., Мустакимов Р.А., Кулиш Е.И. // Хим. физика. 2021. Т. 40. № 9. С. 72. https://doi.org/10.31857/S0207401X21090028
- Sheteiwy M.S., Shaghaleh H., Hamoud Y.A. et al. // Environ. Sci. Pollut. Res Intern. 2021. V. 28. № 28: Р. 36942. https://doi.org/10.1007/s11356-021-14542-w
- Sohail, Sawati L., Ferrari E. et al. // Front. Plant. Sci. 2022. V. 25. № 13. P. 798751. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.798751
- Chen Yu, Lu Jinying, Liu Min. et al. // IET Nanobiotechnol. 2020. V. 14. № 5. P. 382. https://doi.org/10.1049/iet-nbt.2019.01832
- Yurina T.A., Drobin G.V., Bogoslovskaya O.A. et al. // Sel’skokhozyaistvennaya Biologiya. 2021. V. 56. № 1. P. 135. https://doi.org/10.15389/agrobiology.2021.1.135eng
- Leipunsky, I.O., Zhigach, A.N., Kuskov, M.L. et al. // J. Alloys. Compd. 2018. V. 778. P. 271. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2018.11.088
- Lowery O.H., Rosenbrough N.J., Farr A.L. et al. // J. Biol. Chem. 1951. V. 27. P. 265.
- Arnon D.J. // Plant Physiol. 1949. V. 24. P. 1.
- Kirch J.T.O. // Planta.1968. V. 78. P. 200.
- Dubo S.M., Giles K.A., Hmilton J.K. et al. // Anal. Chem. 1956. V. 28. P. 350.
- Johnson R.P., Balwani T.L., Johnson L.J. et al. // Anim. Sci. 1966.V. 25. P. 617.
- Bates L.S. // Plant Soil. 1973. V. 39. P. 205.
- Afzal S., Singh N.K. // Environ Pollut. 2022. V. 314. P. 120224. https://doi.org/10.1016/j.envpol.2022.120224
- Tarafdar J.C., Raliya R., Mahawar H. et al. // Agric. Res. 2014. V. 3. P. 257. https://doi.org/10.1007/s40003-014-0113
- Dhoke S.K., Mahajan P., Kamble R. et al. // Nanotechnol. Dev. 2013. V. 3. P. 111.
- Torabian S., Zahedi M., Khoshgoftar A.H. // J. Plant Nutr. 2016. V. 39. P. 172. https://doi.org/10.1080/01904167.2015.1009107
- Laware S.L., Raskar S. // Intern. J. Curr. Microbiol. Sci. 2014.V. 3. P. 874.
- Жуков А.М., Солодилов В.И., Третьяков И.В. и др. // Хим. физика. 2022. Т. 41. № 9. С. 64. https://doi.org/10.31857/S0207401X22090138
- Prasad R., Kumar V., Prasad K.S. // Afr. J. Biotechnol. 2014. V. 13. P. 705. https://doi.org/10.5897/ajbx2013.13554
- Pinto F., Celesti M., Acebron K. // Plant Cell Environ. 2020. V. 43. P. 1637. https://doi.org/10.1111/pce.13754
- Raliya R., Tarafdar J.C. // Agric. Res. 2013. V. 2. P. 48.
- Reddy Pullagurala V.L., Adisa I.O., Rawat S. // Plant Physiol. Biochem. 2018. V. 132. P. 120. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2018.08.037
- Wang X., Yang X., Chen S. et al. // Front. Plant Sci. 2016. V. 6. P. 1243. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.01243
Дополнительные файлы
