Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработка высокоэффективных агронанобиохимикатов на основе биополимерных наночастиц с заданными структурой, свойствами и многоплановой биологической функциональностью позволяет решать прецизионные задачи повышения урожайности и улучшения почвенного плодородия при значимом снижении использования пестицидов, гербицидов, удобрений и синтетических биостимуляторов. Для разработки таких бионанопрепаратов весьма перспективно использование водорастворимых полиэлектролитных систем, получаемых из нетоксичного, биодеградируемого и ежегодно возобновляемого природного сырья. При этом крайне важно провести систематическое исследование различных по природе и макрозаряду полиэлектролитов. Для успешного решения указанных задач требуется, чтобы полиэлектролитные наноструктуры обладали не только необходимыми агробиологическими/агрохимическими показателями, но и агрегативной/седиментационной устойчивостью. В связи с этим в первый год выполнения проекта проведено комплексное исследование процессов структурообразования в водных растворах катионного L-(D-)аспарагината хитозана (CS•L-(D-)AsрA) и анионного лигносульфоната (LS). В результате кооперативных взаимодействий между фиксированными зарядами поликатиона/полианиона и низкомолекулярными противоионами (способ «снизу вверх») получены мультиплетные наноассоциаты CS•L-(D-)AsрA и LS. Проведен систематический анализ физико-химических свойств нанодисперсий и выделенных из них воздушно-сухих образцов. Установлено, что наноструктуры CS•L-(D-)AsрA в высушенном состоянии представляют собой сферические частицы с усредненным диаметром 50-80 нм. В водной среде их размер на порядок больше, что свидетельствует о полой гидратированной структуре частиц. Размерные характеристики CS•L-(D-)AsрA в значимой степени определяются концентрацией CS, AspA и их мольным соотношением в системе. Размер наноассоциатов LS составляет 140-190 нм и не зависит от морфологической формы (нанопорошок, нанодисперсия) и концентрации полимера. Выявлено, что нанофазовая сегрегация полимерного вещества в обеих полиэлектролитных системах интенсифицируется понижением полярности или повышением ионной силы среды. При этом, введением органических соосадителей или солей-электролитов можно получать сферические наноассоциаты разной морфологии: от плотных наночастиц до наносфер и полых наночастиц с одним отверстием. Обнаружено, что в отличие от LS наноструктуры CS•L-(D-)AsрA кинетически не стабильны. Для придания агрегативной и седиментационной устойчивости проведена поверхностная модификация частиц полисилоксановой оболочкой (CS•L-AspA•Si). В качестве золь-гель прекурсора впервые использован фармакологически активный тетраглицеролат кремния. Проведено исследование биологической активности полученных бионанопрепаратов на модельных объектах, включая сельскохозяйственные растения, почвообитающие грибы и бактерии. Изучение проростков четырех видов растений разных таксономических и хозяйственных групп (пшеница мягкая, соя, огурец, салат) по комплексу морфометрических, физиологических и биохимических признаков показало, что биопрепараты CS•L-(D-)AspA•Si и LS обладают выраженной биологической активностью. Для положительно заряженных наночастиц CS•L-(D-)AspA•Si она проявляется, в первую очередь, в увеличении биомассы корней, содержания фотосинтетических пигментов и изменении активности антиоксидантных ферментов. Снижение концентрации наночастиц CS•L-(D-)AspA•Si в диапазоне 0.3‒0.0003 г/дл приводит к стимулированию активности антиоксидантных ферментов в корнях при снижении в листьях и, как следствие, повышению морфометрических признаков проростков и увеличению содержания фотосинтетических пигментов. Отрицательно заряженные наночастицы LS аналогичным образом стимулируют морфо-физиологические параметры растений, но в более высокой концентрации 0.5‒0.05 г/дл (в зависимости от вида растения). В условиях культуры in vitro у микрорастений картофеля под влиянием наночастиц CS•L-(D-)AspA•Si и LS также повышается биомасса корней/побегов и стимулируется антиоксидантная система. Кроме того, установлено достоверное влияние CS•L-AspA•Si (0.0003 г/дл) и CS•D-AspA•Si (0.003 г/дл) на морфогенетическую активность каллусных клеток и CS•L-(D-)AspA•Si (0.003 г/дл) на регенерацию растений пшеницы. По результатам исследования установлено, что для прайминга семян однодольных и двудольных сельскохозяйственных культур in vivo и стимулирования морфогенеза in vitro оптимальная концентрация наночастиц CS•L-(D-)AspA•Si составляет 0.0003 г/дл, LS ‒ 0.05 г/дл. Полученные препараты CS•L-(D-)AspA•Si и LS проявляют выраженную биологическую активность и в отношении исследуемых грибов и бактерий. Показано, что CS•L-(D-)AspA•Si, не зависимо от изомера, подавляет рост не только потенциально фитопатогенных грибов (Fusarium oxysporum, Talaromyces sayulitensis), но и грибов, обладающих ростстимулирующими свойствами (Trichoderma viride, Trichoderma harzianum). Этот эффект определяется также видом гриба: T. viride более устойчив, чем T. harzianum. Биопрепарат LS не оказывает угнетающее действие на рост исследованных грибов, но ингибирует рост бактерий. Обнаружено, что все исследованные организмы могут кометаболизировать CS•L-(D-)AspA•Si, тогда как LS – только грибы. Для отдельных представителей аскомицетов (F. oxysporum, T. sayulitensis) CS•L-(D-)AspA•Si мог служить также единственным источником углерода или азота. Среди изученных бактерий только P. fluorescens мог использовать CS•L-(D-)AspA•Si в качестве единственного источника углерода, для B. subtilis была доступна только L-форма CS•AspA. Утилизация CS•L-(D-)AspA•Si и LS грибами сопровождается продукцией экстраклеточных гидролитических и окислительных ферментов, которые, по-видимому, участвуют в метаболизме этих соединений. Показано, что продукция этих ферментов зависит не только от использованных источников углерода или азота, но и от температуры культивирования гриба. Экстраклеточные окислительные и гидролитические ферменты бактерий не обнаружены. Таким образом, в отчетный период получены первые доказательства выдвинутого нами предположения, что полифункциональность бионанопрепаратов обеспечивается не столько малой поверхностью биологически активного вещества, сколько его специфической пространственной формой (полые наночастицы, наносферы с одним отверстием). По результатам первого года выполнения проекта опубликованы две статьи журналах, индексируемых в WOS и Scopus, включая Q1, одна статья находится в стадии допечатной подготовки (Scopus) и еще одна рукопись направлена в печать (Scopus). Результаты выполнения проекта в первом году доложены на десяти конференциях, по итогам которых опубликованы тезисы и статья в материалах конференции. Все запланированные результаты получены в полном объеме.