Доклады Российской академии наук. Науки о жизни, 2020, T. 495, № 1, стр. 607-611

Нанотехнологии активно внедряются в различные сферы жизни человека, в частности, в сельское хозяйство. Разрабатываются нанопрепараты для стимуляции роста и развития растений, их защиты от патогенов [1]. Ранее нами было показано, что нанокомпозиты (НК) селена – комплексы наночастиц (НЧ) селена с полимерными матрицами природного происхождения – обладают антибактериальным эффектом и не оказывают негативного влияния на растения картофеля in vitro, а в некоторых случаях даже стимулируют их рост и развитие [2–4]. Следует также отметить, что важным аспектом применения химических агентов в агрохимии является наличие у них ростостимулирующей  активности в отношении сельскохозяйственных культур.

Помимо картофеля, относящегося к семейству пасленовых, среди всех возделываемых полевых культур в мире весьма широкое распространение имеют представители семейства крестоцветных и бобовых. Так, например, большие посевные площади на различных континентах засаживаются редисом. Съедобная часть редиса находится в непосредственном контакте с почвой, где чаще всего происходит загрязнение и аккумуляция химических веществ. В связи с этим, редис является удобным модельным объектом для получения новых сведений о биологической активности веществ, в частности, о токсичности НЧ для растений [5, 6]. Из бобовых культур большой популярностью пользуется соя, эта культура лидирует по объемам возделывания в мире, благодаря высокому содержанию белка, а также широкому потреблению человеком и животными [7].

В настоящей работе представлены новые данные о влиянии НК селена в природных полимерных матрицах на прорастание семян редиса, сои и картофеля с целью разработки эффективного и экологически безопасного ростостимулятора сельскохозяйственных растений.

Нанокомпозиты селена получены путем химического синтеза в Иркутском институте химии СО РАН. Они представляют собой НЧ селена, стабилизированные природными полимерами (арабиногалактаном; картофельным крахмалом; каррагинаном). Синтез НК селена с арабиногалактаном (НК Se/Аг) проводили окислением бис(2-фенилэтил)фосфинодиселенофосфината натрия пероксидом водорода в водном растворе арабиногалактана [8]. Синтез НК селена с крахмалом (НК Se/Кр) осуществляли на основе готового препарата крахмала [2]. НК селена с каррагинаном (НК Se/Кар) производили на основе готового препарата каррагинана [9]. Все используемые НК селена хорошо растворимы в воде.

В работе исследована ростостимулирующая активность НК селена по их влиянию на биометрические (длина/масса побега и корня) и биохимические (содержание диеновых конъюгатов (ДК), активность антиоксидантного фермента глютатионпероксидаза (ГПО)) показатели проростков трех культур. В исследованиях использовали семена редиса Raphanus sativus L.: var. radicula Pers., сорт “18 дней”, характеризующийся скороспелостью и высоким выходом товарной продукции; семена сои Glycine max (L.) Merril, сорт “Черемшанка”, относящийся к скороспелым и высокопродуктивным линиям, возделываемым в Сибири; клубни картофеля Solanum tuberosum L., сорт “Гала”, скороспелый, высокоурожайный.

Для экспериментов по исследованию влияния НК селена в природных матрицах на прорастание редиса и сои семена дезинфицировали 1 мин в 96% этиловом спирте, затем 20 мин в перекиси водорода. После 3-х кратного отмывания водой семена замачивали 30 мин в растворе НК с концентрацией селена 0.000625%, подобранной нами ранее. Далее семена высаживали на влажную фильтровальную бумагу в чашки Петри и проращивали 5 сут в темноте при 26°С. Клубни картофеля обрабатывали НК путем опрыскивания, проращивали в темноте 14 сут. Всхожесть культур определяли в соответствии с ГОСТ 12038-84 “Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести”. В конце эксперимента анализировали длину и массу побега и корня, а также биохимические показатели. Определение первичных продуктов перекисного окисления липидов (ПОЛ), ДК, в тканях побега и корня проростков редиса, сои и картофеля проводили по методике с использованием гексана и изопропанола [10]. Активность ГПО в проростках оценивали по изменению содержания восстановленного глутатиона в пробах до и после инкубации с субстратом в ходе цветной реакции с 5,5'-дитиобис-2-нитробензойной кислотой [11]. Статистическая обработка данных проведена с применением программы SigmaPlot v.12.5.

Было выявлено, что все исследуемые НК не оказывают негативного влияния на всхожесть исследуемых растений. В контроле и опытных образцах всхожесть была 100%. В литературе имеются примеры как положительного влияния НЧ на прорастание семян (НЧ серебра [6] и НЧ церия [12] стимулировали прорастание семян Raphanus sativus), так и отрицательного (НЧ титана замедляли развитие семян Raphanus sativus L. Parvus [5]).

Не выявлено влияния НК на массу побега и корня редиса, однако все НК достоверно увеличивали длину корней проростков этой культуры (табл. 1). Полученный результат согласуется с литературными данными, свидетельствующими о том, что НЧ способны стимулировать рост корня растений. Показано, что длина корней растений перца Capsicum annuum, выращенных на питательной среде с НЧ металлов, была на 7–118% больше, чем у контрольных растений [13]. Влияния НК на длину побегов редиса не было обнаружено (табл. 1). Исследования, поведенные на семенах сои, демонстрируют достоверную стимуляцию роста и увеличения массы побегов по сравнению с контролем при обработке семян НК Se/Кр и НК Se/Кар. Кроме того, под влиянием этих НК увеличивалась длина корня сои, а НК Se/Кар также стимулировал рост его биомассы (табл. 1). Эффект воздействия на прорастание клубней картофеля наблюдался только в варианте с НК Se/Кар (табл. 1).

Прорастание семян всегда сопровождается активированием окислительных процессов, поэтому в качестве биохимической характеристики долгосрочного влияния НК на рост и развитие растений определяли содержание первичных продуктов ПОЛ, а именно ДК, в тканях корня и побега. Известно, что повышение интенсивности процессов ПОЛ наблюдается при биохимическом повреждении клеток, вызванном высоким содержанием активных форм кислорода (АФК). Кроме того, АФК являются молекулами-мессенджерами, запускающими защитные механизмы, повышающие устойчивость клетки к стрессам различной природы [14]. В нашей работе обнаружено, что обработка семян НК приводила к достоверному снижению содержания ДК в тканях корня редиса по сравнению с контролем (рис. 1а). В тканях побега редиса было отмечено повышение содержания ДК относительно контроля, но только при воздействии НК Se/Аг. Не выявлено влияния НК на уровень ДК в тканях корня сои (рис. 1б). Однако все исследуемые НК приводили к увеличению содержания ДК в тканях побега сои. Эффект воздействия на уровень ДК в тканях проростков картофеля был отмечен только в случае НК Se/Аг (снижение по сравнению с контролем, см. рис. 1в). Таким образом, НК Se/Аг оказывает разнонаправленное действие на уровень ПОЛ в растении, понижая его в корнях, но повышая в надземной части. По-видимому, НК Se/Аг приводит к увеличению количества АФК в побегах, что может повышать устойчивость растения к различным стрессовым факторам.

Рис. 1.

Влияние НК селена в природных матрицах на содержание ДК в тканях корня и побега редиса (a), сои (б) и проростков картофеля (в). С – содержание ДК, мкМ г^-1 сырой массы. M ± SE. * – достоверные отличия от контроля, p < 0.05, n = 3.

Контроль за уровнем ПОЛ в организме осуществляется с участием антиоксидантных ферментов [14]. Важная роль при этом отводится глутатионпероксидазе (ГПО), так как этот фермент участвует в восстановлении органических перекисей, образующихся при ПОЛ. Ранее было показано, что обработка семян НЧ селена приводит к значительному повышению активности ГПО в тканях томата спустя 50 сут после обработки [15]. В наших исследованиях также была определена активность этого фермента. Оказалось, что в норме активность ГПО примерно в 3 раза выше в корнях, чем в побегах проростков редиса. Показано, что замачивание семян в растворе НК Se/Аг способствовало достоверному повышению активности фермента в корнях на 40% по сравнению с контролем (рис. 2а). Можно отметить следующее: в варианте с обработкой семян НК Se/Аг снижение содержания ДК в корнях было максимальным (на 50% от контроля) в сравнении с другими НК, что согласуется с повышением активности ГПО (рис. 1). Обработка семян редиса НК Se/Кр и НК Se/Кар вызывала достоверное снижение активности ГПО в тканях корня по сравнению с контрольными растениями. Возможно, это связано с влиянием природных полимеров, в которые упакованы НЧ селена (крахмал и каррагинан), на высвобождение селена внутри растения. Влияние НК на активность фермента в тканях побегов редиса (рис. 2а), также, как и в тканях побегов сои, выявлено не было (рис. 2б). У сои наблюдалось повышение активности ГПО только в тканях корня под влиянием НК Se/Кар. Именно в этом варианте обработки семян сои было отмечено повышение массы корня (табл. 1). По-видимому, детоксикация тканей растения благодаря высокой активности ГПО способствовала увеличению биомассы корня. Активность фермента в тканях проростков картофеля не изменялась под воздействием НК (рис. 2в).

Рис. 2.

Влияние НК селена в природных матрицах на активность ГПО в тканях корня и побега редиса (a), сои (б) и проростков картофеля (в). M ± SE. * – достоверные отличия от контроля, p < 0.05, n = 3.

Таким образом, в настоящей работе показано, что НК селена стимулируют рост корней при прорастании семян растений. В зависимости от вида растения этот процесс может быть связан с понижением интенсивности процессов ПОЛ в тканях корня и их активацией в тканях побегов. По-видимому, на редисе этот эффект в случае НК Se/Аг можно объяснить активацией ГПО, а при использовании НК Se/Кр и НК Se/Кар – других антиоксидантных ферментов. НК Se/Аг, кроме того, вызывает индуцированную системную устойчивость растений редиса и сои, приводя к повышению уровня ПОЛ в тканях побегов. Стимуляция роста корней сои под влиянием НК Se/Кар аналогично может быть обусловлена повышением активности ГПО. У картофеля этот НК также приводил к стимуляции прорастания, однако это, вероятно, связано с активацией иных антиоксидантных ферментов. Эти результаты позволяют рассматривать НК селена в качестве потенциальных ростостимуляторов сельскохозяйственных растений.