Российские нанотехнологии, 2022, T. 17, № 2, стр. 185-195

ВВЕДЕНИЕ. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СЕЛЕНА

Селен (Selenium, Se) является элементом VI группы 4-го периода периодической системы Д.И. Менделеева, имеет атомный номер 34, атомную массу 78.96. Se – один из халькогенов, открыт в 1817 г Я. Берцелиусом [1]. В химических соединениях Se бывает следующей валентности: 4+, 6+ и 2−. У этого элемента известно шесть изотопов: 74Se, 76Se, 77Se, 78Se, 80Se и 82Se [2]. В природе встречается в виде селената SeO$_{4}^{{2 - }}$, селенита SeO$_{3}^{{2 - }}$ и селенида Se^2–, который способен восстанавливаться в атомное состояние. В свободном состоянии Se имеет несколько аллотропных модификаций: красный, серый и черный селен [3, 4]. В окружающей среде Se можно встретить в различных органических формах: газообразный (диметилселенид, диметилдиселенид), а также в виде соединений с аминокислотами (селеноцистеин, селенометионин) [2].

1. ФИЗИОЛОГО-БИОХИМИЧЕСКАЯ РОЛЬ СЕЛЕНА ДЛЯ РАСТЕНИЙ. РАСТЕНИЯ-АККУМУЛЯТОРЫ СЕЛЕНА

Селен играет важную роль для растений. В 1957 г. этот элемент был отнесен К. Шварцем и С. Фольцем к группе необходимых микроэлементов как для растений, так и для животных [5]. Он присутствует в ряде окислительно-восстановительных ферментов в качестве кофактора [5, 6], принимает участие в реакциях образования хлорофилла [7], синтезе трикарбоновых кислот, метаболизме длинноцепочечных жирных кислот [8, 9]. Селен оказывает антагонистическое действие на поглощение и транспорт тяжелых металлов [10], повышает устойчивость к водному стрессу, соле- и засухоустойчивости. Кроме того, Se задействован в синтезе токоферолов, токотриенолов и убихинонов [11]. Непосредственные превращения соединений Se в растительной клетке осуществляются в хлоропластах (синтез селеноцистеина из селенита) и цитоплазме (синтез селенометионина и селеноцистеина) [9, 12].

Селен полезен для живых организмов в узком диапазоне концентраций, он является необходимым микроэлементом, но в то же время токсичен при высоких дозах [13, 14]. Избыток и недостаток Se в питательной среде отрицательно сказываются на росте и развитии растений. При избытке Se появляется хлороз, некрозы и замедленный рост [15, 16]. Содержание Se в растениях в среднем составляет 0.0001 мас. % и зависит от особенности почв, климатических условий произрастания, фазы развития растений и биологических особенностей вида [17].

По способности накапливать Se в своих тканях растения можно разделить на неаккумуляторы (содержат менее 100 мг/кг), аккумуляторы (содержат 100–1000 мг Se/кг при выращивании на почве, богатой селеном) и гипераккумуляторы селена (концентрации Se в тканях в диапазоне 1000–15 000 мг/кг) [18]. Растения-аккумуляторы Se способны концентрировать Se, активно поглощая его из почвы [19]. Примером растения-гипер-аккумулятора Se является астрагал кистевидный, Astragalus racemosus Pursh, Fabaceae. Растения-гипераккумуляторы Se активно поглощают селенат из почвы, переносят его по ксилемме в надземные органы, где Se испаряется с поверхности листа [9]. Также Se может выделяться с корневыми экссудатами растений [18].

У видов гипераккумуляторов большая часть Se представлена в виде метил-селенцистеина вследствие высокой активности процесса метилирования селенцистеина, который считается одним из механизмов устойчивости, обеспечивающих толерантность растений к высокой концентрации Se. Далее метил-селенцистеин может быть превращен в летучий диметилдиселенид [20]. Кроме того, растения-аккумуляторы способны аккумулировать Se-метилселеноцистеин и γ-глутамин-Se-метилселеноцистеин в вакуолях клетки [19, 21]. Негипераккумуляторные виды, как правило, имеют более медленную скорость ассимиляции селената, чем растения-гипераккумуляторы, и поэтому накапливают относительно больше неорганического Se [21].

Другие различия между гипераккумуляторами и не-гипераккумуляторами заключаются в том, что первые больше перемещают Se в ксилеме (от корня до побега) и флоэме (от листьев до репродуктивных органов) и часто накапливают Se в специализированных тканях, создающих опушение листовой поверхности [18–21]. Высокое содержание Se в тканях растений выполняет защитную функцию. Se может накапливаться в растениях до уровня концентраций, токсичных для животных. Кроме того, Se способен метаболизироваться в тканях растения до газообразных форм, действуя как репеллент. В связи с чем возникают предложения использовать Se и его соединения для обработки сельскохозяйственных растений в качестве инсектицидов [22].

Таким образом, проведенный краткий анализ роли Se для растений показывает его необходимость для любого растительного организма. Se задействован в ряде необходимых клеточных процессов, а также и процессов организма в целом. Содержание Se в тканях различных растений неодинаково и зависит от видовой принадлежности.

2. СОДЕРЖАНИЕ СЕЛЕНА В ПОЧВЕ И ЕГО ПОГЛОЩЕНИЕ РАСТЕНИЯМИ

Доступность и распределение Se в почвах зависят от ее кислотности и содержания органического вещества в почве, окислительно-восстановительных условий, активности почвенной микробиоты, структуры почвы, температуры и влажности [23, 24]. Показано, что Se концентрируется преимущественно в гумусовом и иллювиальном горизонтах почв. Содержание Se в верхнем горизонте (0–20 см) определяется главным образом наличием гумуса. Se представлен в почвенном растворе, как правило, в виде селената (Se(VI)), селенита (Se(V)) и органических форм (селеноцистеин и селенометионин). Элементарный Se и селенид также могут встречаться в зависимости от окислительно-восстановительного потенциала почвы [25]. Селенат преобладает в аэробных почвах с нейтральным рН, в то время как селенит преобладает при более низких рН и окислительно-восстановительном потенциале [24].

Корни растений могут поглощать из почвы селенат, селенит или иные органические соединения селена, но не способны усваивать коллоидные селениды. Транспортируется селенат через плазматическую мембрану с участием специальных переносчиков. Считается, что селенит транспортируется фосфатными транспортерами [24] или входит в клетки растений пассивно посредствам диффузии [25]. Исследования показывают, что при низкой кислотности среды селенит может входить в корневые клетки через аквапориновый канал [9]. Селиниты и селенаты являются токсичными для растений. Обе эти формы быстро поглощаются и включаются в метаболизм растений. Например, селенат распределяется от корней к другим частям растения через ксилему. Превращения неорганических форм в селеноцистеин происходит в хлоропластах, поэтому наибольшее содержание селенатов отмечается в листьях. Далее селеноцистеин трансформируется в селенометионин и иные летучие формы [9]. Органические соединения Se затем перемещаются через флоэму к корням и другим органам растения. Селенит легко трансформируется в селенметионин, который накапливается главным образом в корнях [22].

Содержание Se в почвах по всему миру варьирует в широких пределах и может составлять от 10 до 1000 мкг/кг и более. В Российской Федерации количество Se в почве в среднем составляет 300 мкг/кг [26]. Богатые селеном почвы происходят из меловой сланцевой породы. Такие почвы встречаются в Северной Америке, Великобритании, Индии, Пакистане и Австралии [27]. В последнее столетие количество Se в почве значительно снизилось. Во многих регионах мира отмечен дефицит Se в почве и, как следствие, его дефицит в растениях. Например, исследования по определению содержания Se в коровьем молоке, траве и печени зайцев показали, что около 75% живых существ, обитающих на территории Польши, имеют дефицит Se [28, 29]. Удобрения, включающие в свой состав Se, не оказывают выраженного эффекта из-за нитратов, хлоридов и фосфатов, которые связывают Se в нерастворимые соединения.

Из сказанного выше можно заключить, что количество Se в почве находится в широком диапазоне как в мире, так и в России. В почве Se встречается в виде различных органических и неорганических соединений. Поглощаются эти вещества корнями растений с участием специальных переносчиков или по средствам диффузии. Далее они переносятся по ксилеме в надземные органы. Большинство превращений селенсодержащих веществ осуществляется в хлоропластах. В дальнейшем эти вещества распределяются по организму, испаряются с поверхности листа или накапливаются в корнях.

3. НАНОРАЗМЕРНЫЕ ЧАСТИЦЫ СЕЛЕНА

Проблема нехватки Se в продуктах питания является одной из широко обсуждаемых тем в настоящее время. Для борьбы с дефицитом Se активно применяются биофортификация растений селеном [30, 31], биотрансформация [32, 33]. Кроме того, для решения этой задачи рассматривается возможность обработки растений наночастицами (НЧ) Se и его соединений. По сравнению с общим неорганическим и органическим Se селен в составе НЧ демонстрирует лучшую биодоступность, повышенную биологическую активность и сниженную токсичность [34, 35]. Например, было обнаружено, что применение селената в концентрации 10 мг/л оказывает отрицательный эффект на фотосинтетическую активность и рост табака Nicotiana tabacum L., в то время как при обработке растений селеном в виде НЧ в более высоких концентрациях (100 мг/л) негативных эффектов воздействия не наблюдалось [36]. Эффективность воздействия НЧ зависит от их размера, формы, способности к агрегации и выпадению в осадок. Se токсичен для организмов при повышенных уровнях, так как неорганические формы Se могут вызвать окислительный стресс. Также он может включаться в белки, заменяя серу, и приводить к образованию селенцистеина и селенметионина, нарушая функциональные свойства белков [37].

Итак, селен в виде НЧ является более выигрышным соединением по сравнению с органическими и неорганическими селенсодержащими веществами. Это достигается благодаря сниженной токсичности НЧ Se и повышенной биологической активности.

4. СИНТЕЗ НАНОЧАСТИЦ СЕЛЕНА

Существуют различные пути получения НЧ Se: физический синтез, химический синтез, а также получение НЧ Se с помощью живых организмов, что является примером так называемой “зеленой химии”. Физические методы синтеза включают в себя импульсную лазерную абляцию, микроволновой синтез, гидротермальную обработку и осаждение паров. Синтез с помощью лазерной абляции осуществляется с использованием жидкой фазы в деионизированной воде. В результате получается коллоидный раствор с частицами сферической формы разного размера [38]. Лазерная абляция популярна благодаря легкости получения стабильных НЧ и отсутствию загрязнения химическими реагентами [39]. Интересен также синтез НЧ Se методом лазерной абляции в различных жидких мономерах. В качестве конденсирующих жидкостей в этом случае используют изодецилакрилат, карбоксиэтилакрилат и этиленгликольфенилакрилат [40]. Для синтеза НЧ активно используется микроволновый синтез, основанный на нагреве водного раствора соли Se с помощью микроволн. Метод чувствителен ко времени реакции, мощности облучения и типу используемых веществ [41, 42]. Также среди физических методов известен синтез НЧ Se на нанотрубках с применением автоклава [43].

Химический синтез НЧ Se осуществляют путем соединения различных химических веществ. В качестве прекурсора используют органические (например, бисдиселенофосфинат натрия [44, 45] и неорганические (оксид селена) предшественники-соединения Se. Как правило, в процессе реакций осуществляются химическое восстановление и стабилизация полученного продукта различными химическими агентами. Синтезированные химическим путем НЧ могут быть в процессе синтеза упакованы в полимерные полисахаридные матрицы, в результате такой упаковки получают нанокомпозиты Se. НЧ селена можно получать на основе различных кислот: полиметакриловой кислоты [46], при восстановлении селенистой кислоты янтарной кислотой в присутствии и в отсутствие поливинилпирролидона [47], на основе уксусной, щавелевой, галловой кислот [48]. Известен синтез гибридных наносистем на основе НЧ Se и селенида цинка, стабилизированных водорастворимыми полимерами – поливинилпирролидоном и полиметакриловой кислотой. В зависимости от массового соотношения исходных элементов могут образовываться наноструктуры различной морфологии (сферы и мицеллы неправильной формы, содержащие ядра), а также разного размера 30–135 нм [49]. При этом природа полисахарида является определяющим фактором в процессе формирования селенсодержащих наноструктур и оптимизации их параметров [50]. К примеру, при химическом способе синтеза НЧ Se синтезируют с использованием боргидрида натрия в качестве восстановителя и камеди в качестве стабилизатора. Размер НЧ варьировал от 44.4 до 200 нм и средний размер составлял 105.6 нм. Показано, что такие НЧ проявляли высокую активность радиального поглощения [51].

Физико-химические способы синтеза НЧ не всегда экологически безопасны. Поэтому набирает популярность использование методов синтеза, основанных на применении живых существ. Такой синтез, как правило, одностадийный, безопасен для окружающей среды и более экономически эффективен, так как требует меньшего времени реакции и использования меньшего количества реактивов [52]. Синтез НЧ Se осуществляется благодаря наличию восстановительных ферментов в организмах различных биологических объектов, таких как бактерии, грибы, водоросли и растения [53]. Биогенные НЧ Se имеют многообещающие перспективы применения в медицине, биосенсорах и восстановлении окружающей среды.

5. ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ СЕЛЕНА НА РОСТ И РАЗВИТИЕ РАСТЕНИЙ

За последние пять лет было выполнено множество работ по изучению влияния НЧ Se на рост и развитие растений, а также их способность сопротивляться стрессам различной природы. Большинство опубликованных работ, посвященных действию наноселена, свидетельствует о его положительном влиянии на растения. К примеру, показано, что экзогенное опрыскивание наноселеном базилика Ocimum basilicum L. повышает его антиоксидантный потенциал [91], усиливает рост растений табака N. tabacum L. [92] и арахиса Arachis hypogaea L. [93].

При изучении механизмов влияния НЧ Se предполагают, что увеличение роста высших растений под их воздействием происходит благодаря повышению продуктивности фотосинтеза [94]. Показано также изменение жирнокислотного профиля липидов в клетках растений под влиянием НЧ Se [93]. Кроме того, выявлено, что НЧ Se влияют на активность антиоксидантных ферментов в различных органах растения – нитрат-редуктазы в листьях и пероксидазы в корнях [95].

Предполагают, что действие наноселена на растения зависит от величины НЧ. Так, было обнаружено, что НЧ различного размера (50, 100 и 150 нм) по-разному поглощаются и переносятся по организму растений. Исследования показали, что интенсивность поглощения и распределения наноселена по организму растений пшеницы Triticum aestivum L. и риса Oryza sativa L. находится в зависимости от размера НЧ и кислотности среды. Самое высокое содержание Se в побегах пшеницы наблюдалось при обработке наноселеном с размером частиц 50 нм через 24 и 72 ч соответственно. Кроме того, коэффициент переноса Se в пшенице при обработке НЧ селена 50 нм был в 2 раза выше, чем при обработке НЧ 100 и 150 нм. Содержание Se в корнях риса, обработанных в течение 24 ч НЧ величиной 50 нм, увеличилось на 11 и 41% по сравнению с теми, которые были обработаны НЧ размером 100 и 150 нм соответственно. Содержание Se в рисовых побегах и коэффициент переноса Se достигли максимума при применении НЧ размером 50 нм. Также было выявлено, что на поглощение Se растениями влияет кислотность среды. В частности, количество Se, поглощенное корнями пшеницы, обработанной НЧ, было наибольшим при рН 6 через 24 ч, что было на 89% выше, чем количество Se у пшеницы, обработанной селенитом. Кроме того, самый высокий коэффициент переноса Se отмечен при pH 4 в пшенице [96].

Эффект воздействия наноселена на растения зависит и от концентрации НЧ. К примеру, на стручковом перце Capsicum annuum были проведены исследования влияния различных концентраций наноселена (0.5, 1, 10 и 30 мг л^–1) на рост, генетические и биохимические характеристики растения. Показано, что введение НЧ Se в среду культивирования растений вызывало изменения в морфологии и росте в зависимости от дозы НЧ Se. Наноселен в низких дозах демонстрировал ростостимулирующие эффекты, тогда как при 10 и 30 мг л^–1 вызывал сильную токсичность и нарушения в развитии листьев и корней. При этом обнаружено, что токсичность НЧ Se была связана с гиперметилированием ДНК. Обработка НЧ в концентрации Se 0.5 или 1 мг/л приводила к значительной индукции активности нитратредуктазы и к увеличению концентрации пролина. Отмечалось изменение активности пероксидазы и каталазы, а также снижение активности фенилаланин-аммиак-лиазы и концентрации растворимых фенолов. Токсичность НЧ Se объясняют также ингибированием дифференцировки тканей ксилемы [97]. В другом исследовании обнаружен дозозависимый эффект наноселена на биомассу лекарственных растений. Растения Melissa officinalis обрабатывали различными концентрациями наноселена (10, 50 мг/л). При обработке растений НЧ Se в концентрации 10 мг/л наблюдались резкое увеличение биомассы, активация боковых почек и стимуляция развития боковых корней. Однако в концентрации 50 мг/л наноселен снижал рост растений на 45.5% по сравнению с контролем, оказывая сильное токсичное влияние на растение [95].

При изучении эффектов влияния НЧ Se было показано, что они могут функционировать как стимуляторы развития растений, улучшая их антиоксидантную систему защиты и, следовательно, способность переносить стресс [98]. НЧ Se оказывают воздействие на клеточные процессы, например регулируют активность антиоксидантных ферментов и воздействуют на фотосинтетический аппарат. Показано, что наноселен значительно снижал содержание тяжелых металлов в зернах риса, выращенного на техногенно загрязненной почве. Опрыскивание растений раствором НЧ Se улучшало рост и увеличивало урожайность риса, редиса и кукурузы, ускоряло рост растений салата. Выявлено, что наноселен не только усиливает устойчивость растений томата к солевому [99] и биотическому стрессу (альтернариоз, нематода), но и повышает их урожайность [100]. Повышенную устойчивость растений к стрессам объясняют индукцией активности ферментов супероксиддисмутазы, аскорбатпероксидазы, глутатионпероксидазы, фенилаланин-аммиак-лиазы в листьях и глутатионпероксидазы в плодах. Кроме того, в листьях было увеличено содержание хлорофиллов а и b, в плодах повышалось количество витамина C, глутатиона, фенолов и флавоноидов. Устойчивость к солевому стрессу и повышенная урожайность наблюдались при опрыскивании растений клубники Fragaria moschata и обработке пшеницы НЧ Se. Полученный эффект объясняют снижением уровня перекисного окисления липидов, повышением активности антиоксидантных ферментов – супероксиддисмутазы и пероксидазы, а также повышением содержания пролина в тканях растений. Кроме того, отмечено повышение качества и питательных свойств клубники благодаря увеличению содержания органических кислот (например, яблочной, лимонной и янтарной кислот) и сахаров (например, глюкозы, фруктозы и сахарозы) в ягодах растений, обработанных НЧ селена [101]. Показано, что наноселен, полученный методом лазерной абляции, индуцировал системную устойчивость томатов к галловой нематоде Meloidogyne, стимулировал процессы роста и развития растений, участвовал в экспрессии гена PR-6, кодирующего защитный белок, в корнях и листьях, подвергнутых инвазии растений, повышал активность ингибиторов протеиназ. Экзогенная обработка растений растворами наноселена снижала зараженность растений, влияя на морфофизиологические параметры паразитов в корнях [102]. Новейшие исследования эффекта НЧ Se на устойчивость томатов Solánum lycopérsicum к фитофторозу показали, что зараженные растения, подвергнутые обработке НЧ селена, имели лучшую жизнеспособность по сравнению с контрольными растениями на 72.9%. Наноселен способствовал накоплению в их клетках лигнина, каллозы и перекиси водорода, которые являются защитными молекулами в растительной клетке. Кроме того, обработка НЧ Se повышала в тканях томатов уровень активности ферментов липоксигеназы, фенилаланинлиазы, β-1,3-глюканазы и супероксиддисмутазы [103].

Изучение влияния наноселена на растения свидетельствует о положительном эффекте НЧ на их жизнеспособность и устойчивость к стрессу. Воздействие селеном на растения в такой форме активизирует в их тканях антиоксидантные и иные защитные ферменты, приводит к интенсификации важнейших клеточных процессов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Селен представляет собой халькоген, необходимый для растительного организма. Он задействован в окислительно-восстановительных реакциях клетки, при синтезе важных для растений соединений (хлорофилл, витамины, жирные кислоты). Se повышает устойчивость организма к стрессовым факторам различной природы. Корни растений могут поглощать селенат, селенит или другие органические соединения селена. Селенат транспортируется в ткани корня через плазматическую мембрану с участием специальных переносчиков. Селенит транспортируется фосфатными транспортерами или входит в клетки растений пассивно посредством диффузии. Затем соединения Se транспортируются по ксилеме в надземные органы растений, где содержится много хлоропластов, в которых неорганический селен превращается в селеноцистеин, селенометионин и летучий диметилдиселенид. После этого органические соединения селена перемещаются через флоэму к корням, где могут накапливаться, а также к другим органам растения.

Содержание Se в растениях в среднем составляет 0.0001 мас. %. По способности накапливать Se в своих тканях растения делятся на неаккумуляторы, аккумуляторы и гипераккумуляторы селена. Повышение содержания Se в тканях растений может выполнять для них защитную функцию. Метаболические пути растений-гипераккумуляторов Se обусловлены активным поглощением селената из почвы с последующей транспортировкой его по ксилеме в надземные органы, где часть соединений селена депонируется в вакуолях, а другая его часть в ходе ряда превращений преобразуется сначала в метил-селенцистеин, а затем в летучий диметилдиселенид, который испаряется с поверхности листа, действующий как репеллент.

Доступность и распределение Se в почвах зависят от множества факторов (состава и структуры почвы, климатических условий и др.). Содержание Se в почвах по всему миру значительно различается и может составлять от 10 до 1000 мкг/кг и более. Однако селен полезен для живых организмов в узком диапазоне концентраций, он является необходимым микроэлементом, при этом в больших дозах его соединения токсичны. Высокие концентрации Se опасны тем, что в молекулах некоторых аминокислот селен может заменять серу, приводя к инактивации важных белков. В последнее столетие количество Se в почвах значительно снизилось. Во многих регионах мира отмечен дефицит Se в почвах и, как следствие, дефицит его в растениях. Поэтому наблюдается недостаток Se в продуктах питания. Для решения этой проблемы используются биофортификация растений селеном, биотрансформация, а также возможность обработки растений НЧ Se и его соединений. Наноселен интересен повышенной биодоступностью, биологической активностью и сниженной токсичностью. Существуют различные способы получения НЧ Se: физический синтез, химический и синтез с применением живых существ. Физические методы синтеза включают в себя импульсную лазерную абляцию, микроволновой синтез, гидротермальную обработку и осаждение паров. Химический синтез НЧ Se осуществляют путем соединения различных химических веществ, где в роли прекурсора используют органические и неорганические соединения селена. Синтез НЧ с помощью живых организмов (бактерии, грибы, растения) осуществляется благодаря участию разнообразных восстановительных ферментов. Среди растений такой способностью обладают ягодные и плодовые кустарники, водные растения, среди бактерий – преимущественно представители почвенной микрофлоры. Большинство опубликованных данных свидетельствует о положительном влиянии наноселена на жизнеспособность растений и их устойчивость к биотическим и абиотическим стрессовым факторам. Действие наноселена на растения зависит от величины (наиболее эффективны частицы меньшего размера) и от концентрации НЧ, которыми воздействуют на растения. Стимулирующий эффект наноселена объясняют повышением продуктивности фотосинтеза, изменением жирнокислотного профиля липидов, снижением уровня перекисного окисления липидов, увеличением содержания пролина и органических кислот в тканях растений, а также повышением активности антиоксидантных ферментов в различных органах растения – нитратредуктазы, липоксигеназы, фенилаланинлиазы, пероксидазы и супероксиддисмутазы в клетках растений под влиянием НЧ Se.

Таким образом, НЧ Se являются многообещающими агентами для оздоровления и стимуляции роста культурных растений. Представленные критический анализ и систематизация накопленной информации в этой области будут полезны для интенсификации сельскохозяйственной науки и технологии.

Работа выполнена в рамках Проекта № АААА-А17-117011810099-8, номер гос. задания 0277-2021-0004.