КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-26-00054
НазваниеРазработка новых подходов к повышению стрессоустойчивости сельскохозяйственных культур с использованием наночастиц
РуководительВенжик Юлия Валерьевна, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук, г Москва
Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-106 - Растениеводство
Ключевые словаустойчивость к стрессам, абиотические факторы, механизмы устойчивости, наночастицы, сельскохозяйственные культуры, огурец, томат, яровая пшеница, рост, фотосинтез, ультраструктура хлоропластов, фотосинтетические пигменты, углеводы, экспрессия генов
Код ГРНТИ68.03.03
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение актуальной научной проблемы, связанной с разработкой инновационных подходов к повышению адаптивного потенциала сельскохозяйственных культур в меняющихся климатических условиях. Цель проекта заключается в изучении эффективности применения наночастиц металлов как адаптогенов, регулирующих механизмы адаптации растений к абиотическим факторам среды.
Проблема адаптации растений к абиотическим факторам является одной из центральных в сельском хозяйстве и биологии. Особую важность приобретает поиск новых подходов к повышению холодоустойчивости сельскохозяйственных культур, особенно на начальном этапе онтогенеза. В этом направлении могут быть использованы наночастицы металлов, которые благодаря малым размерам (менее 100 нм), особым физико-химическим, оптическим и электрическим свойствам, проникают через клеточные барьеры и изменяют метаболизм растений. В России и за рубежом наночастицы находят все большее применение в сельском хозяйстве – в качестве наноудобрений и веществ с гербицидной/пестицидной активностью. Научный и практический интерес представляют наночастицы некоторых металлов (например, коллоидные растворы наночастиц золота), которые быстро и легко синтезируются, нетоксичны для растений, животных и людей, и в микродозах могут быть использованы в сельскохозяйственной практике как адаптогены.
В проекте планируется проведение системного многопланового исследования механизмов действия коллоидных растворов наночастиц золота на процесс холодовой адаптации важных сельскохозяйственных культур, не приспособленных изначально к перенесению действия пониженных температур – огурца, томата и яровой пшеницы. Подобные исследования в мировой научной литературе единичны, и проект по ряду аспектов является пионерским.
Научная новизна проекта состоит в получении новых фундаментальных знаний о действии наночастиц на процесс адаптации сельскохозяйственных культур к абиотическим стрессовым факторам. Впервые будет проведено комплексное исследование, направленное на выявление роли наночастиц золота как адаптогенов, способных увеличивать холодоустойчивость растений за счет регуляции механизмов низкотемпературной адаптации.
Количественное определение наночастиц в органах растений с помощью атомно-эмиссионной спектроскопии выявит их локализацию и степень накопления в растительном организме. Для визуализации наночастиц в клетках растений будет использован метод электронной микроскопии. Устойчивость к низким температурам будет оценена по выживаемости растений методом прямого промораживания, динамике ростовых процессов, степени повреждения фотосинтетического аппарата (ФСА) и мембранных структур - по выходу электролитов из тканей и интенсивности пероксидации липидов. Учитывая важную роль ФСА для формирования урожая и его особую чувствительность к пониженной температуре, влияние наночастиц на структурно-функциональную организацию ФСА планируется оценить методом электронной микроскопии (анализ ультраструктуры хлоропластов), а интенсивность процесса фотосинтеза (СО2-газообмен) – с помощью портативной фотосинтетической системы и спектрофотометрически (количественный анализ пигментного состава, доли хлорофиллов в светособирающем комплексе (ССК) и накопления сахаров, как конечных продуктов фотосинтеза). Методом ПЦР в режиме реального времени будут изучены происходящие под влиянием наночастиц изменения уровней экспрессии генов, кодирующих белки ФСА (структурные единицы РуБисКо, белки ССК и реакционного центра фотосистемы II), входящие в состав тилакоидных мембран хлоропластов и участвующие в регуляции процесса фотосинтеза.
В результате успешной реализации проекта будут получены новые фундаментальные знания о механизмах действия наночастиц на процесс адаптации сельскохозяйственных растений к абиотическим факторам и разработан инновационный подход к повышению их устойчивости в зонах рискованного земледелия.
Ожидаемые результаты
В рамках научной проблемы, заявленной в проекте, предлагается применить новый подход к ее решению, используя в качестве веществ, повышающих стрессоустойчивость растений, коллоидные растворы наночастиц золота. Впервые планируется исследовать зависимость «доза-эффект» и подобрать оптимальные микродозы наночастиц, вызывающие максимальный прирост холодоустойчивости сельскохозяйственных культур (огурец, томат, яровая пшеница), чувствительных к действию пониженных температур, особенно на ранних этапах онтогенеза. Методами атомно-эмиссионной спектроскопии, а также электронной микроскопии будут получены новые сведения о внутриклеточной и тканевой локализации наночастиц и их количественные характеристики при различных микродозах и способах обработки (через корни, листья или семена) наночастицами растительных объектов. Будет выявлена зависимость между накоплением клетками наночастиц и показателями активности фотосинтетического аппарата (ФСА), который первым реагирует на абиотические факторы и играет важную роль в адаптации растений к действию стрессоров. Определение интенсивности фотосинтеза (СО2-газообмена), содержания фотосинтетических пигментов, продуктов фотосинтеза (сахаров), а также анализ ультраструктуры хлоропластов позволят оценить влияние наночастиц на структурно-функциональную и физиолого-биохимическую организацию ФСА. Методом ПЦР в режиме реального времени будут изучены происходящие под влиянием наночастиц изменения уровней экспрессии генов, кодирующих белки ФСА (структурные единицы РуБисКо, белки ССК и реакционного центра фотосистемы II), входящие в состав тилакоидных мембран хлоропластов и участвующие в регуляции процесса фотосинтеза.
Исследование заявленных аспектов позволит развить новую научную тематику, связанную с установлением роли наночастиц, как адаптогенов, в регуляции механизмов низкотемпературной адаптации сельскохозяйственных культур, чувствительных к действию околонулевых температур. Полученные в ходе выполнения проекта новые фундаментальные знания расширят представления об адаптационном потенциале растений, феномене стрессоустойчивости и возможностях использования нанотехнологий в растениеводстве. Новые данные об участии наночастиц в регуляции механизмов адаптации растений послужат основой для разработки инновационного подхода к повышению устойчивости сельскохозяйственных культур в зонах рискованного земледелия, с возможностью дальнейшей коммерциализации идеи. Ожидаемые результаты проекта соответствуют уровню исследований ведущих мировых групп, а по ряду аспектов проект не имеет аналогов, являясь пионерским.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Золотые наносферы были синтезированы цитратным методом и охарактеризованы методами трансмиссионной электронной микроскопии и спектрофотометрии. По данным измерений средний диаметр золотых наночастиц (ЗНЧ) составил 15.3 нм. Максимальная концентрация золота в коллоидном растворе составляла 57 мкг/мл.
Проведены концентрационные тесты для проростков яровой пшеницы, томата и огурца по определению оптимальной концентрации ЗНЧ и способа обработки растений, при которых холодоустойчивость будет наибольшей. Экспериментально установлено, что замачивание семян с ЗНЧ (нанопрайминг) в микродозах (10 и 20 мкг/мл) обеспечивает максимальный прирост холодоустойчивости растений при минимальном (следовом) содержании ЗНЧ в тканях. Показано, что ЗНЧ в указанных микродозах увеличивали устойчивость растений пшеницы и томата к низкой температуре, а также позитивно влияли на посевные качества семян пшеницы, томата и огурца. Заключено, что нанопрайминг является наиболее эффективным и экологически щадящим способом обработки растений наночастицами, при котором эффект ЗНЧ на холодоустойчивость был высоким, а содержание золота в тканях – минимальным.
Получены данные о влиянии ЗНЧ на ростовые параметры (высота и биомасса растений), физиолого-биохимические (интенсивность дыхания, фотосинтеза, содержание фотосинтетических пигментов и растворимых сахаров в листьях) и молекулярно-генетические показатели (уровень экспрессии генов rbcL, rbcS, Wcor 726 и Wcor 15) на примере яровой пшеницы (ЗНЧ в концентрации 10 мкг/мл, способ обработки – нанопрайминг). Показано, что растения, выращенные в оптимальных условиях из семян, обработанных ЗНЧ, отличались от контрольных повышенной интенсивностью роста и активностью фотосинтетического аппарата, более высоким содержанием хлорофиллов в листьях, а также повышенным уровнем экспрессии генов, кодирующих большую и малую субъединицы рибулозобифосфаткарбоксилазы (rbcL и rcbS).
В условиях низкотемпературного закаливания (4°С, 7 суток) ЗНЧ вызывали дополнительный прирост холодоустойчивости проростков пшеницы. При этом, эффекты ЗНЧ на ростовые процессы и активность фотосинтетического аппарата практически полностью нивелировались действием низкой закаливающей температуры. Однако процесс повышения холодоустойчивости сопровождался существенным (более чем на 70%) увеличением содержания сахарозы, вызванным действием ЗНЧ. Известно, что накопление растворимых сахаров – важнейшая неспецифическая реакция растений на многие абиотические стрессоры, необходимая для их выживания в том числе, в условиях длительного действия низкой температуры. С одной стороны, сахара выполняют функции осмолитиков и криопротекторов, защищая растения от обезвоживания, а с другой, стабилизируют мембраны и действуют как антиоксиданты. Кроме того, сахара являются резервными веществами, и их накопление необходимо для энергоемкого процесса низкотемпературной адаптации.
Изучено влияние нанопрайминга с ЗНЧ на экспрессию двух важных COR-генов (Wcor726 и Wcor15) у растений пшеницы. Установлено, что у незакаленных проростков пшеницы, выращенных из семян, обработанных ЗНЧ, уровень экспрессии Wcor15 увеличивался в 8 раз. Известно, белки, кодируемые Wcor15, относятся к III группе белков LEA, транспортируются в хлоропласты и содержат CRT/DRE cis-регуляторные элементы, сходные с Wcs120. Имеются данные, что белок WCOR15 продукт гена Wcor15, локализуется в хлоропластах и снижает риски фотоингибирования фотосистемы II.
Сделан вывод, что эффекты ЗНЧ на растения зависят от температурных условий опыта. В оптимальных температурных условиях нанопрайминг семян приводил к стимуляции ростовых процессов у проростков, повышению активности фотосинтетического аппарата (за счет усиления экспрессии генов rbcS и rbcL, увеличения содержания хлорофиллов) и уровня экспрессии COR-гена Wcor15. В условиях низкотемпературного закаливания ЗНЧ способствовали дополнительному накоплению в листьях растворимых сахаров (преимущественно, сахарозы) и, как следствие, существенному повышению холодоустойчивости растений.
За отчетный период получены новые данные о локализации ЗНЧ в клетках и тканях растений, проведено их количественное определение при разных вариантах обработки растений ЗНЧ. ЗНЧ визуализированы в электронном микроскопе как темные агрегаты, расположенные преимущественно в межклетниках. Процесс проникновения ЗНЧ в клетки корня визуализирован в световом микроскопе. Установлено, что независимо от типа обработки ЗНЧ (через корни, листья и семена) золото обнаруживается как в побегах, так и в корнях растений. Это свидетельствует о том, что ЗНЧ способны проникать из корней в листья, и наоборот, из листьев – в корни, перемещаясь по растительному организму.
Крайне важно, что нанопрайминг (обработка семян) ЗНЧ приводит к образованию растений с полностью измененным метаболизмом и повышенным уровнем экспрессии генов стрессового ответа. В результате нанопрайминга формируются растения с повышенным адаптивным статусом, позволяющим им развивать более высокую стрессоустойчивость, по сравнению с контрольными (необработанными ЗНЧ) растениями. Для детального понимания механизмов действия ЗНЧ на растения необходимы дальнейшие исследования, однако уже сейчас можно утверждать, что ЗНЧ в низких концентрациях могут быть использованы в биологии и сельском хозяйстве как адаптогены, усиливающие стрессоустойчивость.
Публикации
1. Венжик Ю.В., Дерябин А.Н., Жукова К.В., Соколов А.О., Попов В.Н., Мошков И.Е. ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ПОВЫШЕННОЙ ХОЛОДОУСТОЙЧИВОСТИ ПШЕНИЦЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА Физиология растений, - (год публикации - 2024)
2. Венжик Ю.В., Дерябин А.Н. The use of nanomaterials as a plant-protection strategy from adverse temperatures Russian Journal of Plant Physiology, V. 70. Article 68. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1021443723600344