БИОФИЗИКА, 2020, том 65, № 4, с. 745-752

БИОФИЗИКА СЛОЖНЫХ СИСТЕМ

УДК 57.052

НОВЫЕ СТИМУЛЯТОРЫ РОСТА РАСТЕНИЙ НА ОСНОВЕ

ВОДОРАСТВОРИМЫХ НАНОЧАСТИЦ N-ЗАМЕЩЕННЫХ

МОНОАМИНОКИСЛОТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ФУЛЛЕРЕНА C₆₀

И ИЗУЧЕНИЕ МЕХАНИЗМА ИХ ДЕЙСТВИЯ

В.М. Мисин*, И.Н. Гагарина****, Н.Е. Павловская****,

И.В. Горькова****, А.В. Лушников****

*Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, 119334, Москва, ул. Косыгина, 4

**Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН, 119991, Москва, ул. Вавилова, 28

***Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН, 119991, Москва, Ленинский просп., 47

****Орловский государственный аграрный университет им. Н.В. Парахина, 302019, Орёл, ул. Генерала Родина, 69

E-mail: vl.volkov@mail.ru

Поступила в редакцию 22.11.2019 г.

После доработки 12.05.2020 г.

Принята к публикации 08.06.2020 г.

Исследованы ростостимулирующие эффекты водорастворимых наночастиц N-замещенных моно-

аминокислотных производных фуллерена С₆₀(L- и D- аланина, L- и D-валина, L- и D-аспарагино-

вой кислоты, β-аланина, а также γ-аминомасляной и ε-аминокапроновой кислот в солевой форме).

Обнаружено, что факторами, влияющими на такие физиологические параметры, как всхожесть,

энергия прорастания и длина корешка гороха посевного, являются размер наночастиц производ-

ных фуллерена и их относительная антирадикальная активность. Установлено, что в выбранной

группе соединений относительная антирадикальная активность наночастиц определяется их сум-

марной площадью поверхности и не зависит от строения аминокислотного заместителя. Продемон-

стрирована возможность использования аминокислотных производных фуллерена в качестве эф-

фективных ростостимулирующих веществ. Обнаружен эффект, выражающийся в дозозависимом

влиянии, оказываемом калиевой солью N-(моногидрофуллеренил)-D-аланина на показатели всхо-

жести и энергии прорастания гороха в диапазоне концентраций 10^-9-10^-11 М.

Ключевые слова: фуллерен, наночастицы, антиоксиданты, стимуляторы роста, горох посевной.

DOI: 10.31857/S000630292004016X

Повышение урожайности сельскохозяйствен-

В литературных источниках имеются противо-

речивые данные о физиологическом влиянии,

ных культур является одной из ключевых задач

оказываемом фуллереновыми производными на

современной агрохимии. При этом предпочтение

растения. Так, найдено, что функциональные

отдается тем средствам, применение которых без-

производные фуллерена С₆₀, например, такие как

опасно для окружающей среды. В настоящее вре-

мя особый интерес представляет использование

фуллеренолы, оказывают положительный эф-

наноматериалов, которые благодаря своим раз-

фект на рост гипокотиля у арабидопсиса (Arabi-

мерным характеристикам обладают уникальны-

dopsis thaliana L.) [1]. Как предполагают, положи-

ми свойствами. Среди таких материалов важное

тельный эффект при воздействии указанных со-

место отводится углеродным наноструктурам, в

единений на растения связан с их

частности фуллерену С₆₀, а также его производ-

антиоксидантной активностью, а именно - со

способностью связывать активные формы кисло-

ным. В этой связи актуальным является изучение

рода (АФК) [2, 3]. В частности, была выявлена

механизмов ростостимулирующего действия

способность фуллеренола предотвращать разви-

фуллерена С₆₀ и его производных.

тие окислительного стресса в корнях и их субапи-

кальное утолщение при ультрафиолетовом сред-

Сокращения: АФК - активные формы кислорода, АПФ -

неволновом облучении проростков зерновых

аминокислотные производные фуллерена, ОАА - относи-

тельная антирадикальная активность.

культур благодаря снижению содержания АФК.

745

746

ВОЛКОВ и др.

Также есть подтверждения тому, что добавление в

ленной в работе [7]. В этом методе в качестве ис-

питательный раствор водорастворимых произ-

точника свободных радикалов используется 2,2'-

водных фуллерена С₆₀ с аминокислотами (АПФ),

азобис(2-амидинопропан)дигидрохлорид, кото-

такими как L-лизин, L-треонин L-аргинин,

рый склонен к термическому гомолитическому

L-гидроксипролин (в виде их калиевых солей),

распаду, в результате которого в присутствии

способствовало увеличению сухой массы расте-

кислорода образуются алкоксильные либо алкил-

ния у яровой пшеницы [4]. Однако не все функ-

пероксидные радикалы, а флуоресцеин играет

ционализированные фуллерены показывают эф-

роль атакуемой радикалами мишени, текущая

фект стимуляции в отношении роста растений.

концентрация которой определяется с высокой

Например, авторы публикации [5] сообщили, что

чувствительностью.

водорастворимое малонатное производное

Растворы флуоресцеина и 2,2'-азобис(2-амиди-

(карбоксифуллерен) С₇₀[С(СООН)₂]_4-8, добав-

нопропан)дигидрохлорида готовили в фосфатном

ленное в питательную среду, дозозависимым об-

буфере (75 мМ, рН 7.4), а затем инкубировали в те-

разом усиливает ингибирование роста корней

чение 10 мин при 37°C. В кювете флуориметра сна-

вплоть до 60%, а также приводит к деформации

чала смешивали растворы флуоресцеина и исследу-

кончика корней у арабидопсиса (A. thaliana L.).

емого образца; раствор 2,2'-азобис(2-амидинопро-

Выдвинуто предположение о том, что указанные

пан)дигидрохлорида вводили последним и

негативные эффекты могут быть связаны с нару-

немедленно начинали запись кинетической кривой

шением транспорта ауксина в корнях, отклоне-

изменения интенсивности флуоресценции. Конеч-

ниями в процессах клеточного деления в зоне ме-

ные концентрации компонентов смеси в кювете со-

ристемы корня, а также с уменьшением внутри-

ставляли:

9.6

мМ

2,2'-азобис(2-амидинопро-

клеточного количества АФК. В присутствии

пан)дигидрохлорида,

10^-8 М флуоресцеина,

карбоксифуллерена С₇₀[С(СООН)₂]_2-4 на кле-

2.5 ⋅ 10^-6 М исследуемого раствора. Фосфатный

точной культуре табака сигарного (Nicotiana ta-

буфер (75 мМ) использовали для холостого опыта,

bacum L.) также были зафиксированы эффекты

тролокс

(6-гидрокси-2,5,7,8-тетраметилхроман-2-

ингибирования роста, связанные с деформацией

карбоновую кислоту) в концентрации 1.2 ⋅ 10^-6 М -

клеточной стенки и окислительным стрессом [6].

Сделан вывод о том, что адсорбция карбоксифул-

в качестве препарата сравнения. Значение величи-

леренов на клеточных стенках приводит к разру-

ны, характеризующей ОАА, рассчитывали как отно-

шению этих клеточных стенок и мембран, что в

шение разностей площадей под кривыми тушения

флуоресценции соответственно для исследуемого

итоге ингибирует рост клеток. Кроме того, при

образца (S_обр) и для тролокса (S_Тр) с учетом холо-

действии карбоксифуллеренов наблюдается уве-

личение количества гликозидных остатков на

стого опыта («бланка», т.е. без добавления антиок-

клеточных стенках (в зависимости от концентра-

сидантов, S_бл), а также концентраций тролокса

ции растворов и времени воздействия), а также

(C_Тр) и исследуемых образцов (C_обр):

аккумуляция АФК, что, как предполагают, пред-

ставляет собой стратегию защиты растения при

ОАА = ((S_обр - S_бл) / ( S_Тр - S_бл)) ∙ (C_Тр / C_обр). (1)

воздействии этих производных фуллерена.

Кинетические кривые изменения интенсив-

В целом взаимосвязи между строением произ-

ности флуоресценции с течением времени реги-

водных фуллерена и их биологической активно-

стрировали на спектрофлуориметре FluoroLog

стью недостаточно изучены.

3.21 (Horiba Scientific Ltd., Франция) при темпе-

ратуре 37 ± 0.2°C (при термостатировании в кю-

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

ветном отделении). Наблюдаемую флуоресцен-

цию детектировали при длине волны λ = 515 нм

Объекты исследования. Фуллерен С₆₀ и его

под прямым углом относительно пучка возбужде-

N-монозамещенные производные калиевых со-

ния в стандартной (1 см) кварцевой кювете при

лей L- и D- аланина, L- и D-валина, L- и D-аспа-

длине волны возбуждающего света λ = 491 нм.

рагиновой кислоты, β-аланина, а также γ-амино-

Интенсивности флуоресценции были скорректи-

масляной и ε-аминокапроновой кислот, способ-

рованы по отношению к чувствительности изме-

ные к образованию в водном растворе

ряющего фотоэлектронного умножителя. Темпе-

наночастиц, были синтезированы в ИНЭОС

ратуру образца поддерживали при помощи тер-

им. А.Н. Несмеянова РАН.

мостата модели 12108-15 (Cole-Parmer, США)

Определение относительной антирадикальной

(6 л, вода, нагрев/охлаждение, цифровой кон-

активности аминокислотных производных фулле-

троллер). Компоненты образца (за исключением

рена. Определение величины относительной

инициатора) предварительно термостатировали в

антирадикальной активности (ОАА) было осу-

течение 10 мин перед смешиванием. Температуру

ществлено по методу ORAC (Oxygen Radical

в кювете уточняли при помощи ртутного термо-

Absorbance Capacity) в модификации, представ-

метра с шагом деления шкалы 0.1°C.

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

НОВЫЕ СТИМУЛЯТОРЫ РОСТА РАСТЕНИЙ

747

Влияние на показатели физиологических параметров (энергии прорастания, всхожести и длины корешка

гороха), оказываемое фуллереном С₆₀и АПФ, а также найденные соответствующие этим соединениям значения

величин ОАА и среднего размера частиц

Тестируемое

ОАА, отн. ед.

Размер частиц,

Энергия

Всхожесть, %

Длина корешка,

нм

прорастания, %

см

соединение, 10^-9М

Н-С₆₀-L-Ala-OK (1)

0.16 ± 0.02

94 ± 13

4.36 ± 1.42

Н-С₆₀-D-Ala-OK (2)

0.63 ± 0.10

42 ± 6

3.76 ± 1.34

Н-С₆₀-L-Val-OK (3)

0.27 ± 0.04

90 ± 15

97.3

5.10 ± 1.28

Н-С₆₀-D-Val-OK (4)

0.04 ± 0.01

107 ± 18

87.3

91.7

5.78 ± 2.14

Н-С₆₀-L-Asp-(OK)₂(5)

108 ± 30

88.3

3.62 ± 0.89

Н-С₆₀-D-Asp-(OK)₂(6)

0.010 ± 0.002

110 ± 20

79.7

82.3

3.78 ± 1.09

Н-С₆₀-NH-(CH₂)₂-

0.08 ± 0.01

-**

97.7

4.16 ± 1.32

COOK (7)

Н-С₆₀-NH-(CH₂)₃-

0.35 ± 0.05

-**

91.7

92.3

5.12 ± 1.12

COOK (8)

Н-С₆₀-NH-(CH₂)₅-

-**

85.3

87.7

2.86 ± 1.79

COOK (9)

С₆₀(10)

78 ± 6

100

3.80 ± 1.24

Вода (контроль)

90.3

3.30 ± 0.67

Примечание. * - Значение величины (при заданных условиях эксперимента) находится ниже предела детектирования; для

этих соединений значения ОАА; ** - вследствие полидисперсности наночастиц в растворе оценку их усредненного размера

нельзя считать корректной.

Определение размеров наночастиц. Для опреде-

бумагу в чашки Петри для проращивания на свету

ления гидродинамического радиуса частиц АПФ,

в течение восьми суток при температуре 23°С.

диспергированных в водном растворе, использо-

Представленные значения величин физиологи-

вали метод лазерного динамического рассеяния

ческих параметров рассчитаны как среднее ариф-

света (фотонной корреляционной спектроско-

метическое из трех повторностей. В каждой из

пии). Измерения проводили на анализаторе

повторностей проводили проращивание 100 се-

«Photoсor Compact-Z» (ООО

«Фотокор»,

мян. В качестве изучаемых физиологических па-

Москва), оснащенном термостабилизированным

раметров при проращивании семян выступали

диодным AlGaInP-лазером с длиной волны

всхожесть, энергия прорастания и длина кореш-

λ = 637.4 нм (мощностью 30 мВт) и многоканаль-

ка. Длину корешка и всхожесть (количество нор-

ным коррелятором «Photoсor-FС». Распределе-

мально проросших семян) определяли на вось-

ния по гидродинамическому радиусу получали из

мые сутки проращивания как величину, выра-

измеренных корреляционных функций интен-

женную в процентах по отношению к параметрам

сивности рассеянного света при помощи про-

биоматериала, взятого для анализа. Энергию про-

граммного обеспечения DynaLS фирмы «Alango

растания (как процент проросших семян) опреде-

Ltd» (Израиль) методом кумулянтов [8], а также

ляли на четвертые сутки. Важно отметить,

ALV-5000/E фирмы «ALV-GmbH» (Германия) ме-

что физиологический параметр энергии прорас-

тодом CONTIN [9]. Измерения проводили при

тания характеризует способность семян давать в

величине угла рассеивания 90° и температуре

полевых условиях дружные и ровные всходы, а

25°С. Были использованы цилиндрические кюве-

значит, - хорошую выровненность и выживае-

ты диаметром 8 мм и объемом 1 мл. Концентра-

мость растений. Измерение показателей всхоже-

ции образцов составляли 10^-6 М.

сти и энергии прорастания осуществляли в со-

Контролируемые параметры проращивания. Ис-

ответствии с методикой, описанной в ГОСТ

следование проводили на семенах гороха сорта

12038-84 [10].

«Фараон», которые предварительно замачивали в

растворе исследуемых веществ в течение двух ча-

Статистическую обработку полученных экспе-

сов, после чего переносили на фильтровальную риментальных данных проводили при помощи

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

748

ВОЛКОВ и др.

0.7

Осуществлена оценка статистической значи-

мости полученного значения линейного коэффи-

0.6

циента корреляции Пирсона r_yx на основании t-

критерия Стьюдента. Указанный критерий под-

0.5

чиняется закону распределения Стьюдента с чис-

0.4

лом степеней свободы ν = n - 2. Фактически на-

блюдаемое значение t-статистики (t_набл) для со-

0.3

вокупности малого объема вычислено в

0.2

соответствии с формулой:

t_набл = |r_yx| [(n - 2) / (1 - r2yx)]^1/2,

0.1

где n - объем совокупности (n = 6); число степе-

0.0

ней свободы ν = n - 2 = 4; |r_yx| - абсолютное зна-

100 110 120

чение величины линейного коэффициента кор-

Размер частиц, нм

реляции Пирсона; t_набл - наблюдаемое (рассчи-

танное) значение t-статистики.

Рис.

1. Диаграмма корреляционной зависимости

между величиной относительной антиоксидантной

Найдено, что значение t_набл = 13.052. Для уров-

активности и усредненным размером наночастиц

ня значимости α = 0.05 (5%-й вероятности ошиб-

аминокислотных производных фуллерена.

ки первого рода) и числа степеней свободы ν = 4

квантиль распределения Стьюдента (табличное

критическое значение величины t-статистики,

программ Microsoft Excel 2010, Origin Pro 8.0 и

Past 3.25.

кр) составляет tкр = 2.776. Поскольку tнабл > tкр^{, то}

полученная оценка позволяет отклонить нулевую

гипотезу H₀ о статистической незначимости ко-

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

эффициента корреляции (о случайном характере

связи) и принять альтернативную гипотезу H₁

Как следует из полученных эксперименталь-

статистической значимости коэффициента кор-

ных данных (см. таблицу), фуллерен С₆₀ и боль-

реляции (о наличии статистически значимой свя-

шинство АПФ (в виде соответствующих калие-

зи, имеющей неслучайный характер).

вых солей) в концентрации 10^-9М способствуют

Рассчитаны параметры аналитического пред-

увеличению показателей всхожести, энергии

ставления корреляционной зависимости в виде

прорастания и длины корешка. Наибольшее по-

гипотетического уравнения линейного типа ?_x =

ложительное влияние на всхожесть и энергию

a₀ + a₁x (где коэффициенты a₁ = - 0.00937 и a₀=

прорастания оказывал незамещенный фуллерен

1.04412) и, таким образом, построена регрессион-

С₆₀. АПФ преимущественно также способствова-

ная модель, характеризующая связь между фак-

ли увеличению значений указанных параметров.

торным (x, размером частиц АПФ в растворе) и

Однако, например, в присутствии некоторых из

результативным (?x, теоретической величиной

числа испытанных АПФ - производных L- и

ОАА) признаками.

D-аспарагиновой, а также ε-аминокапроновой

Выявленная корреляционная зависимость

кислот - несколько снижались показатели как

между величиной относительной антирадикаль-

всхожести, так и энергии прорастания. Введение

ной активности и размером наночастиц АПФ,

аминокислотного остатка в молекулу фуллерена

по-видимому, обусловлена стерическим факто-

С₆₀ способствовало увеличению ростостимули-

ром: при увеличении размеров наночастиц

рующего эффекта в отношении длины корешка

уменьшается величина отношения площади по-

гороха. Важно также отметить, что наибольшие

верхности наночастицы к ее объему:

значения величины ОАА и при этом наименьшие

размеры наночастиц, образуемые в водном рас-

S_нч/V_нч= 4πr²/1.33πr³= 3/r (2

(2)

творе, продемонстрированы в случае фуллерено-

где S_нч - площадь поверхности наночастицы, V_нч -

вого производного D-аланина.

объем наночастицы, r - радиус наночастицы.

Выявлена тесная отрицательная корреляцион-

Молекулы, заключенные внутри указанного

ная связь линейного типа (со значением коэффи-

объема наночастицы, оказываются труднодо-

циента корреляции Пирсона r_yx = -0.9885 и зна-

ступными для взаимодействия со свободными ра-

чением коэффициента детерминации R² = 0.977)

дикалами, и соответствующее АПФ показывает

между величиной относительной антиоксидант-

меньшие значения величины ОАА.

ной активности и размером наночастиц АПФ, об-

Для нахождения зависимости между свойства-

разующихся в водном растворе (рис. 1).

ми АПФ и тестируемыми физиологическими па-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

НОВЫЕ СТИМУЛЯТОРЫ РОСТА РАСТЕНИЙ

749

(а)

(б)

100

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

100

110

ОАА, отн. ед.

Размер частиц, нм

Рис. 2. Диаграммы корреляционной зависимости влияния величины относительной антиоксидантной активности (а)

и размеров наночастиц аминокислотных производных фуллерена в растворе (б) на всхожесть гороха сорта «Фараон».

раметрами был осуществлен корреляционный

изводных D-аланина (таблица, соединение 2) и

анализ. Параметры всхожести и энергии прорас-

D-валина (таблица, соединение 4): они рассмат-

тания показали положительную нелинейную

ривались как «статистический выброс», связан-

корреляционную связь с величиной ОАА, пере-

ный, возможно, с изменением размеров агрегатов

ходя в область насыщения при определенном

(наночастиц) этих соединений.

уровне значений соответствующего параметра,

причем с величиной размеров наночастиц про-

Для корреляционной зависимости, представлен-

слеживается отрицательная нелинейная корреля-

ной на рис. 3, найден аналитический вид аппрокси-

ционная связь параметра всхожести (рис. 2).

мирующей функции линейного типа y_x = a₀ + a₁x,

Посредством компьютерного моделирования

где коэффициенты a₁ = 5.0434 и a₀= 3.5515.

установлено, что в аналитическом виде изменение

Эксперимент по оценке зависимости величин

показателя всхожести (y, результативного признака),

всхожести и энергии прорастания от концен-

представленное на рис. 2, хорошо аппроксимируется

трации АПФ в растворе (в области низких кон-

уравнением роста Берталанфи (L. von Bertalanffy), ко-

центраций при значениях, ниже наномолярных,

торое имеет общий вид

yx=a[1 - bexp(-cx)], где в

качестве независимой переменной (x, факторного

10^-10 и 10^-11 М) на примере фуллеренового про-

признака) фигурируют соответственно величины

ОАА и размер частиц, коэффициент а - предельное

6.0

(асимптотическое) значение тестируемого физиоло-

гического показателя (результативного признака), ко-

5.5

эффициент с - интенсивность (градиент) изменения

тестируемого физиологического показателя (резуль-

5.0

тативного признака).

4.5

Для зависимостей на рис. 2 найдены следую-

4.0

щие соответствующие параметры гипотетическо-

го уравнения: a = 96.797, b = 0.11246, c = 21.334 и

3.5

a = 98.662, b = 8.6938·10^-12, c = -0.2148 (для зави-

3.0

симостей (а) и (б) соответственно).

Продемонстрирована весьма тесная положи-

2.5

тельная корреляционная зависимость (коэффи-

2.0

циент корреляции Пирсона r_yx = 0.91) длины ко-

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

ОАА, отн. ед.

решков от значений величин ОАА АПФ (рис. 3).

Необходимо отметить, что при расчете данного

Рис.

3. Диаграмма корреляционной зависимости

коэффициента не учитывались эксперименталь-

между величинами относительной антиоксидантной

ные данные, полученные для фуллереновых про-

активности и длиной корешка гороха посевного.

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

750

ВОЛКОВ и др.

(а)

100

98.0

95.7

93.6

91.3

90.0

lg [Н С60 D Ala OK], M

Рис. 4. Зависимость показателей всхожести (а) и энергии прорастания (б) семян гороха сорта «Фараон» от концентра-

ции N-(моногидрофуллеренил)-D-аланина в растворе для проращивания.

изводного калиевой соли D-аланина, как это вид-

стенки, включая экспансины, ксилоглюкан эн-

но из диаграммы, представленной на рис. 4, в

дотрансглюкозилазы/гидразы, пероксидазы и

обоих случаях показал тенденцию к уменьшению

белков переноса липидов, что способствует про-

показателей упомянутых физиологических пара-

цессу удлинения проростка [13]. Однако также

метров при снижении концентрации АПФ.

известно, что накопление АФК в клетках иници-

ирует перекисное окисление липидов и других

Важно отметить, что в процессе прорастания

биомакромолекул. Изменение и нарушение

семени наблюдается усиление интенсивности

структуры белков и ДНК приводит, в свою оче-

клеточного дыхания, для осуществления которо-

редь, к нарушению процессов транскрипции и

го требуется кислород, и при этом происходит об-

репликации [14, 15]. При недостатке антиокси-

разование активных форм кислорода. В литера-

дантов подобные процессы свободнорадикально-

турных источниках имеются данные, указываю-

го окисления приводят к нарушению целостно-

щие на то, что АФК могут стимулировать рост

сти клетки и ее гибели, что в свою очередь приво-

растения, а также активировать экспрессию эн-

дит к некрозам тканей листьев, молодых побегов

догенных факторов антиоксидантной защиты,

и других органов растений. Было показано, что

что в конечном итоге приводит к повышению ан-

внесение в качестве удобрения биочара (угля, по-

тиоксидантного статуса организма. В клетках жи-

лученного при сгорании растительного материа-

вотных обнаружена и активно изучается редокс-

ла в условиях ограниченного доступа кислорода),

чувствительная система Nrf2/ Keap1/ ARE, кото-

являющегося источником свободных радикалов,

рая контролирует экспрессию от 1 до 10% генов

в количестве 0.5 и 1.0 г на чашку Петри диаметром

[11]. Nrf2/ARE-регулируемые гены кодируют

90 мм оказывает ростостимулирующий эффект

ферменты, различные регуляторные и структур-

(связанный, возможно, с активацией малыми до-

ные белки, в число которых входят ферменты,

контролирующие редокс-статус клетки - облада-

зами АФК синтеза эндогенных антиоксидантов),

ющие непосредственной антиоксидантной ак-

однако при повышении количества вносимого

тивностью или синтезирующие эндогенные вос-

удобрения длина корней оказывалась значитель-

становители (в первую очередь, глутатион) [12].

но ниже контрольных значений [16]. Подобный

Возможно, подобная система регуляции действу-

эффект наблюдался и при проращивании семян

ет и в растительной клетке. При проращивании

ячменя, обработанных раствором полигидрокси-

семян ячменя, обработанных водным раствором,

фуллерена, в стрессовых условиях. В малых кон-

содержащим нанопузырьки различных газов, ко-

центрациях (7, 14, 75 мг/л) наблюдался стойкий

торые при схлопывании являются источниками

ростостимулирующий эффект, однако при кон-

гидроксильного радикала OH•, наблюдалось

центрации 1100 мг/л ростовые характеристики

усиление экспрессии генов, отвечающих за син-

оказывались ниже контрольных. Такой эффект

тез белков, влияющих на разрыхление клеточной

авторы объясняют наличием у полигидроксифул-

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

НОВЫЕ СТИМУЛЯТОРЫ РОСТА РАСТЕНИЙ

751

лерена прооксидантных свойств в высоких кон-

СОБЛЮДЕНИЕ ЭТИЧЕСКИХ СТАНДАРТОВ

центрациях, в результате чего в клетках ростовой

Настоящая работа не содержит описания ка-

зоны корня происходит накопление АФК, что, в

ких-либо исследований с использованием людей

свою очередь, приводит к образованию окисли-

и животных в качестве объектов.

тельных поперечных связей между полимерами

клеточной стенки и преждевременной остановке

роста [17, 18].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Имеются данные, доказывающие, что актив-

J. Gao, Y. H. Wang, K. M. Folta, et al., PloS One 6 (5),

ные формы кислорода являются универсальными

8 (2011).

химическими агентами, посредством которых ре-

ализуется неблагоприятное воздействие различ-

N. Charbi, M. Pressac, M. Hadchouel, et al., Biomate-

ных видов стресса (температурный, осмотиче-

rials 30 (4), 611 (2009).

ский, кислотно-основный, избыточное освеще-

Г. Г. Панова, Е. В. Канаш, К. Н. Семёнов и др.,

ние, ультрафиолетовое излучение). Так, в ходе

С.-х. биология 53 (1), 38 (2018).

исследования стресс-индуцированной тран-

скрипции генома цианобактерий Synechocystis sp.

Q. Liu, Y. Zhao, Y. Wan, et al., ACS Nano 4 (10), 5743

было обнаружено, что большая часть генов, коди-

(2010). DOI: 10.1021/nn101430g

рующих различные факторы защиты, экспресси-

руется не только в ответ на соответствующий не-

Q. L. Liu, X. J. Zhang, Y. Y. Zhao, et al., Environ. Sci.

благоприятный фактор внешней среды, но и в от-

Technol. 47 (13), 7490 (2013)

вет на экзогенное введение пероксида водорода

B. Ou, M. Hampsch-Woodill, and R. L. Prior, J. Agric.

[19]. Это еще раз подтверждает нашу гипотезу, что

Food Chem.

(10),

4619

(2001)

DOI:

антиоксидантные свойства исследованных про-

10.1021/jf010586o

изводных фуллерена С₆₀, по-видимому, являются

ключевым фактором их ростостимулирующего и

P. Stepanek, in Dynamic Light Scattering. The Method

протекторного воздействия при проращивании

and Some Applications, Ed. by W. Brown (Clarendron

семян гороха.

Press, Oxford, 1993), p. 177.

На основании проведенного эксперименталь-

S. W. Provencher, Comput. Phys. Commun. 27 (3), 229

ного исследования возможно сделать заключение

(1982). DOI: 10.1016/0010-4655(82)90174-6

о том, что изученные аминокислотные производ-

ные фуллерена С₆₀ могут представлять интерес в

ГОСТ

12038-84, Семена сельскохозяйственных

культур. Методы определения всхожести.

качестве препаратов для обработки семенного

материала и/или вегетативных органов растений

10.

Н. К. Зенков, П. М. Кожин, А. В. Чечушков и др.,

с целью увеличения урожайности сельскохозяй-

Биохимия 82 (5), 749 (2017).

ственных культур, улучшения адаптационных ха-

рактеристик растений к погодным, климатиче-

11.

В. О. Ткачев, Е. Б. Меньщикова и Н. К. Зенков,

ским условиям и защиты от стрессовых факторов

Биохимия 76 (4), 502 (2011).

среды.

12.

A. K. A. Ahmed, X. Shi, L. Hua, et al., J. Agricult.

Food Chem.

(20),

5117

(2018).

DOI:

10.1021/acs.jafc.8b00333

БЛАГОДАРНОСТИ

13.

Ю. А. Владимиров и А. И. Арчаков, Перекисное

Работа выполнена с использованием научного

окисление липидов в биологических мембранах

оборудования Центра исследования строения мо-

(Наука, М., 1972).

лекул ИНЭОС РАН.

14.

Е. Б. Бурлакова, А. В. Алесенко, Е. М. Молочкина

и др., Биоантиоксиданты в лучевом поражении и

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

злокачественном росте (Наука, М., 1975)

Работа выполнена при финансовой поддержке

15.

S. Liao, B. Pan, H. Li, et al., Environ. Sci. Technol. 48

Министерства науки и высшего образования

(15), 8581 (2014). DOI: 10.1021/es404250a

Российской Федерации.

16. D. J. Cosgrove, Plant Cell 9 (7), 1031 (1997)

17. T. De Cnodder, K. Vissenberg, D. Van Der Straeten,

КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ

and J.-P. Verbelen, New Phytol. 168, 541 (2005)

Авторы заявляют об отсутствии конфликта

18. K. S. Mironov, M. A. Sinetova, M. Shumskaya, and

интересов.

D. A. Los, Life 9 (3), 67 2019 DOI: 10.3390/life9030067

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020

752

ВОЛКОВ и др.

New Plant Growth Stimulants Based on Water-Soluble Nanoparticles

of N-Substituted Monoamino Acid Derivatives of Fullerene C₆₀ and the Study

of Their Mechanisms of Action

V.A. Volkov*, O.V. Yamskova**, M.V. Voronkov*, D.V. Kurilov***, V.S. Romanova**, V.M. Misin*,

I.N. Gagarina****, N.E. Pavlovskaya****, I.V. Gorkova****, and A.V. Lushnikov****

*Emanuel Institute of Biochemical Physics, Russian Academy of Sciences, ul. Kosygina 4, Moscow, 119334 Russia

**Nesmeyanov Institute of Organoelement Compounds, Russian Academy of Sciences, ul. Vavilova 28, Moscow, 119991 Russia

***Zelinsky Institute of Organic Chemistry, Russian Academy of Sciences, Leninskii prosp. 47, Moscow, 119991 Russia

****Parakhin Orel State Agrarian University, ul. Generala Rodina 69, Orel, 302019 Russia

Growth-stimulating effects of water-soluble nanoparticles of N-substituted monoamino acid derivatives of

fullerene C₆₀ (L- and D-alanine, L- and D-valine, L- and D-aspartic acid, β-alanine, and γ-aminobutyric and

ε-aminocaproic acids in potassium salt form) were investigated. It was found that the nanoparticle size and rel-

ative antiradical activity of fullerene derivatives influence physiological factors affecting seed germination, ger-

mination energy and root growth capacity of field peas. It was shown that relative antiradical activity

of nanoparticles in the selected group of compounds is evaluated by total surface area of nanoparticles regard-

less of the structure of the amino acid substituent. The possibility of using monoamino acid derivatives as

effective growth stimulating substances is demonstrated. A dose-dependent effect of N-(monohydrofullerenyl)-

D-alanine potassium salt on seed germination and germination energy of field peas in a concentration range of

10^-9-10^-11 M is demonstrated.

Keywords: fullerene, nanoparticles, antioxidants, growth stimulants, field peas

БИОФИЗИКА том 65

№ 4

2020