Разработка новых подходов к повышению стрессоустойчивости сельскохозяйственных культур с использованием наночастиц

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 проекта 23-26-00054

НазваниеРазработка новых подходов к повышению стрессоустойчивости сельскохозяйственных культур с использованием наночастиц

Руководитель Венжик 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

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 слова устойчивость 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.1134/S1021443723600344

2. 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)

3. Снигур М.Г., Дерябин А.Н., Венжик Ю.В. ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ЗОЛОТА НА НЕКОТОРЫЕ ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ У РАСТЕНИЙ ТОМАТА Тезисы докладов IV Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной памяти профессора С.Ю. Веселова "СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ФИЗИОЛОГИИ, БИОХИМИИ И БИОТЕХНОЛОГИИ РАСТЕНИЙ" (г. Уфа, 17 – 18 октября 2024 г.), Уфа, 17 – 18 октября 2024 г., С. 64. (год публикации - 2024)

4. Жукова К.В., Дерябин А.Н., Соколов А.О., Венжик Ю.В. НАНОЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА КАК АДАПТОГЕНЫ, УВЕЛИЧИВАЮЩИЕ ХОЛОДОУСТОЙЧИВОСТЬ ПШЕНИЦЫ X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г), Уфа, 18-23 сентября 2023 г, С. 146. (год публикации - 2023)

5. Венжик Ю.В., Дерябин А.Н., Жукова К.В., Соколов А.О., Попов В.Н., Мошков И.Е. Features of Formation of Wheat’s Increased Cold Resistance under the Influence of Gold Nanoparticles Russian Journal of Plant Physiology, Vol. 71: 34 (год публикации - 2024)
10.1134/S1021443724604191

6. Венжик Ю.В., Дерябин А.Н., Жукова К.В. Au-Based Nanoparticles Enhance Low Temperature Tolerance in Wheat by Regulating Some Physiological Parameters and Gene Expression Plants, 13, 1261. (год публикации - 2024)
10.3390/plants13091261

7. Венжик Ю.В., Дерябин А.Н., Жукова К.В., Нарайкина Н.В., Кочетков И.М., Успенская М.Г. НАНОЧАСТИЦЫ ЗОЛОТА: ОСНОВНЫЕ ЭФФЕКТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ФИЗИОЛОГИИ РАСТЕНИЙ Всероссийская научная конференция с международным участием и школа для молодых ученых "Фундаментальные и прикладные аспекты адаптации живых организмов к изменяющимся условиям окружающей среды Севера: исследования, инновации, перспективы" Петрозаводск, 9–13 сентября 2024 г., Петрозаводск, 9–13 сентября 2024 г., С. 83. (год публикации - 2024)

8. Венжик Ю.В., Дерябин А.Н., Нарайкина Н.В., Жукова К.В., Успенская М.Г., Кочетков И.М. Нанопрайминг активирует метаболизм растений и увеличивает их устойчивость к холоду "Экспериментальная биология растений и климатические вызовы" : тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием. Годичное собрание Общества физиологов растений России. 3–8 октября 2024 г., Екатеринбург., 3–8 октября 2024 г., Екатеринбург, С. 180. (год публикации - 2024)

9. Венжик Ю.В. Наноматериалы и растения: основные эффекты и перспективы использования X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.), Уфа, 18-23 сентября 2023 г, С. 86. (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Изучено влияние наночастиц золота на ультраструктурную организацию клеток листьев, физиолого-биохимические показатели, а также экспрессию некоторых генов, кодирующих белки фотосинтетического аппарата, у различных по устойчивости к низкой температуре растений – морозостойкой яровой пшеницы (способной выдерживать околонулевые отрицательные температуры), холодоустойчивого томата (выживающего при низких положительных температурах) и теплолюбивого огурца (погибающего при действии температуры 4°С и ниже). Установлено, что под влиянием нанопрайминга с использованием наночастиц золота происходит структурно-функциональная реорганизация клеток листьев растений. Обработка наночастицами вызывала у всех изученных растений увеличение размеров хлоропластов, которое считается адаптивным структурным признаком, связанным с накоплением в строме пластид веществ с криопротекторными свойствами (белков, аминокислот, углеводов). При этом у пшеницы и томата происходило увеличение доли мелких гран (с числом тилакоидов 2–6) в хлоропластах, что свидетельствует о перераспределении в них фотосистем I и II. Это может быть необходимо для защиты фотосистемы II, наиболее чувствительной к действию низкотемпературного стрессора. Адаптивная ультраструктурная реорганизация клеток листьев сопровождалась накоплением биомассы побегов и усилением процесса фотосинтеза у всех изученных растений. Сопоставив данные о структурной, функциональной, физиолого-биохимической и молекулярно-генетической реакции растений пшеницы, томата и огурца на обработку наночастицами золота, а также данные о влиянии нанопрайминга на холодоустойчивость изучаемых культур, было сделано предположение о том, что наночастицы золота в изученных концентрациях действуют как адаптогены, увеличивая устойчивость растений к низкой температуре. Нанопрайминг изменяет метаболизм растений, вызывая в их клетках и тканях комплекс адаптивных изменений, которые позволяют растениям переживать действие низких температур. В частности, к таким адаптивным изменениям, общим для всех изученных культур, относятся увеличение интенсивности роста и фотосинтеза, накопление сырой и сухой биомассы побегов, увеличение содержания хлорофиллов и каротиноидов в листьях, а также увеличение размеров хлоропластов. Следует отметить, что у пшеницы нанопрайминг вызывал накопление в листьях растворимых сахаров, выполняющих, как известно, функции крио- и осмопротекторов. Важно, что увеличение интенсивности фотосинтеза у пшеницы и томата было сопряжено с усилением экспрессии генов, кодирующих рибулозобифосфаткарбоксилазу и некоторые гены, кодирующие белки фотосистемы II. На основании полученных результатов выделены видоспецифичные изменения, проявившиеся только у некоторых из изученных объектов. К ним относятся изменение количества и размеров гран, пластоглобул и крахмальных включений в хлоропластах; изменение размеров клеток мезофилла и числа хлоропластов в них; накопление растворимых сахаров; изменения в относительном уровне экспрессии генов, кодирующих белки фотосинтетического аппарата. Универсальные изменения, происходящие под влиянием наночастиц у всех изученных объектов, можно назвать маркерами влияния наночастиц золота на растения. К таким маркерам относятся увеличение площади хлоропластов, увеличение интенсивности роста и фотосинтеза, накопление сырой и сухой биомассы, увеличение содержания фотосинтетических пигментов в листьях. Заключено, что нанопрайминг с использованием наночастиц золота является действенной стратегией для получения растений с улучшенным метаболизмом, а сами наночастицы могут быть использованы как адаптогены, увеличивающие устойчивость к стрессам. Ссылки на информационные ресурсы в сети Интернет: https://www.rscf.ru/news/release/obrabotka-zolotom-sdelala-listya-pshenitsy-sakharnee-i-ustoychivee-k-zamorozkam/ https://www.mk.ru/science/2024/06/22/rossiyskie-uchenye-pozolotili-pshenicu.html https://rg.ru/2024/06/20/obrabotka-zolotom-sdelala-listia-pshenicy-saharnee-i-ustojchivee-k-zamorozkam.html https://nauka.tass.ru/nauka/21153075 https://naked-science.ru/article/column/obrabotka-zolotom-sdelala https://glavagronom.ru/news/uchenye-povysili-ustoychivost-pshenicy-k-holodu-s-pomoshchyu-obrabotki-zolotom https://news.rambler.ru/tech/52957888-obrabotka-zolotom-sdelala-listya-pshenitsy-saharnee-i-ustoychivee-k-zamorozkam/ https://new.ras.ru/activities/news/obrabotka-zolotom-sdelala-listya-pshenitsy-sakharnee-i-ustoychivee-k-zamorozkam/ https://www.pravda.ru/news/science/2046048-pshenica/ https://www.agroxxi.ru/gazeta-zaschita-rastenii/novosti/obrabotka-nanozolotom-sdelala-listja-pshenicy-slasche-i-povysila-ustoichivost-kultury-k-zamorozkam.html https://scientificrussia.ru/articles/obrabotka-zolotom-sdelala-lista-psenicy-saharnee-i-ustojcivee-k-zamorozkam https://vfokuse.mail.ru/article/v-rossii-povysili-stoykost-pshenicy-k-holodu-pri-pomoschi-nanochastic-iz-zolota-61600182/ https://hi-tech.mail.ru/news/111436-obrabotka-zolotom-rossijskie-uchenye-nashli-sposob-povysit-urozhaj-pshenicy/ https://vrnikc.ru/news/rossijskie-uchenye-obrabotali-pshenitsu-nanochastitsami-zolota-i-sdelali-ee-ustojchivoj-k-holodu/ https://agroexpert.press/innovation/rossijskie-uchenye-obrabotali-psheniczu-nanochasticzami-zolota-i-sdelali-ee-ustojchivoj-k-holodu/ https://xn--80aa3ak5a.xn--p1ai/news/obrabotka-zolotom-povysila-ustoychivost-pshenitsy-k-zamorozkam/ http://agrarian.expert/rossijskie-uchenye-obrabotali-pshenicu-nanochasticami-zolota-i-sdelali-ee-ustojchivoj-k-holodu/

Публикации

Возможность практического использования результатов
Проект представляет базу для формирования в России научного задела по развитию направления безопасной фотонанотехнологии, в котором 1) наноматериалы используются для "улучшения" растений в целях, необходимых человечеству, 2) растения используются как живые биосистемы для изучения возможностей, свойств и особенностей наноматериалов. Это направление позволит внедрять безопасные наноматериалы в обыденную жизнь людей без риска для здоровья и с максимальным позитивным эффектом. Проект поддерживает развитие направления фитонанотехнологии, как технологии создания новых нанопрепаратов, обеспечивающих экономическое развитие России за счет их тесного внедрения в сельское хозяйство. При этом поддерживаются технологии выращивания экономически важных для России сельскохозяйственных культур с улучшенным метаболизмом, увеличенной урожайностью и стрессоустойчивостью. Развитие безопасных фитонанотехнологий обеспечивает переход человечества к новому этапу развития, в котором нанотехнологии помогают поддерживать здоровый образ жизни россиян и экономическое развитие страны.