Российские нанотехнологии, 2024, T. 19, № 6, стр. 774-780

ВВЕДЕНИЕ

Использование наночастиц (NPs) в технологии растениеводства для стимулирования роста и развития растений, повышения урожайности и качества сельскохозяйственной продукции основано на доказательстве того, что NPs могут выполнять роль пролонгированного источника микроэлементов [1–5].

Известно, что физико-химические свойства NPs, включая фазовый состав, поверхностный заряд, размер и форму, являются ключевыми факторами, влияющими на эффективность действия NPs, биосовместимость, токсичность, поглощение и другие свойства [6]. Наиболее мобильной физико-химической характеристикой NPs следует рассматривать состояние их поверхности [6, 7]. Уникальность NPs заключается в возможности модифицировать поверхность NPs различными факторами. Например, при синтезе NPs Cu пассивация проводилась в контролируемых условиях кислородом, парами воды, воздухом [8]. При этом токсикологические свойства, антимикробная активность в отношении грамотрицательных и грамположительных микробов, а также ранозаживляющие свойства NPs с модифицированной поверхностью отличались друг от друга, демонстрируя корреляционные связи с фазовым составом и размером частиц [8].

В настоящее время для решения биомедицинских задач исследуются возможности различных методов и способов модификации поверхности NPs с использованием ковалентного и нековалентного связывания веществ различной природы на поверхности NPs. Это приводит к улучшению биосовместимости, эффективности поглощения NPs, что позволяет расширить потенциал использования NPs в таких областях, как биоимиджинг, биосенсорика и доставка лекарств [6–9]. Молекулы, используемые для модификации поверхности NPs, включают в себя низко- и высокомолекулярные белки, антитела, аптамеры и олигосахариды [10, 11]. Кроме того, модификация поверхности NPs специфическими нацеливающими лигандами часто необходима для снижения токсичности (что широко применяется для NPs серебра) и повышения их стабильности в биологических жидкостях [12, 13].

В области растениеводства поверхностная модификация NPs может придать повышенную способность клеткам к интернализации, улучшить биосовместимость и способность связывать микроэлементы, необходимые для эффективной внутриклеточной доставки. Среди различных стабилизаторов, используемых для предотвращения агрегации NPs, полисахариды представляют собой привлекательный выбор для получения функциональных материалов. Учитывая эти факты, в проведенных исследованиях модификацию поверхности NPs металлов жизненно необходимых элементов проводили высокомолекулярным хитозаном.

Цель настоящей работы – изучение сравнительного действия NPs железа, цинка, меди и их композиции в присутствии хитозана на рост и урожайность растений перца и томата, выращенных на питательной среде Мурасиге–Скуга в асептических условиях.

МЕТОДЫ

Металлические NPs получены методом высокотемпературной конденсации на установке Миген-3 [14]. Используемые NPs металлов представляют собой монокристаллические структуры круглой правильной формы, покрытые полупрозрачной оксидной пленкой. Средний диаметр NPs Fe составляет 27.0 ± 0.51 нм, NPs Zn – 54.0 ± ± 2.8 нм, NPS Cu – 79.0 ± 1.24 нм. Фазовый состав NPs следующий: у NPs Fe кристаллическая металлическая фаза составляет 53.6%, фаза железа оксида Fe₃O₄ – 46.4%, толщина оксидной пленки – 3.5 нм. Наночастицы меди и цинка состоят из кристаллической металлической фазы с толщиной оксидной пленки 1.0–0.5 нм [15] (рис. 1).

Рис. 1.

Физико-химические характеристики NPs металлов.

В питательную среду Мурасиге–Скуга [16] вводили суспензии индивидуальных или композиции NPs металлов вместо солей металлов в разных концентрациях (мг/л): NPs Fe – 10.0, 3.0, 0.6, 0.3, 0.06, NPs Zn – 3.0, 1.0, 0.4, 0.08, 0.016, NPs Cu – 0.04, 0.004, 0.0008, 0.00016 и хитозан “Тяньши” (Китай) в концентрации 100 мг/л.

Модификацию NPs проводили хитозаном при диспергировании порошков на диспергаторе “Scientz JY 92 - IIN” (Китай) в течение 30 с при мощности 99% при охлаждении. Процесс диспергирования повторяли трижды. Готовую суспензию NPs с хитозаном добавляли в 1 л стерильной, охлажденной до 45°С питательной среды Мурасиге–Скуга при перемешивании на магнитной мешалке в течение 2 мин.

Объектом исследования являлись растения перца (Capsicum annuumsub sp), сорт LJ-king, и томата (Lycopersicones culentum L.), сорт Venice. В подготовленные стерильные банки с питательной средой раскладывали семена растений по 3 шт. на банку. Для каждого варианта среды использовали по 10 банок с тремя семенами в каждой. Банки с семенами помещали на стеллажи в стерильной комнате с контролируемым постоянным режимом: температура – 22–25°С, влажность – 36%, освещенность – 3500–3000 Lux 12/12 ч в сутки. Показатель всхожести семян томата и перца оценивали через 15 дней культивирования. Через 40 сут роста и развития растений оценивали следующие показатели: длина корня, всасывающую активность корня по восстановлению трифенилтетразолия хлорида [17] (табл. 1). Через 40 сут культивирования растений в асептических условиях посадочный материал высаживали в грунт. Дизайн опыта представлен на рис. 2.

Рис. 2.

Дизайн эксперимента.

Результаты экспериментов, полученные в десяти повторах, обрабатывали статистически с помощью компьютерных программ Microsoft Excel, Statistica 6.0. Достоверность (р) полученных результатов оценивали по U-критерию Манна–Уитни [18]. Различия между двумя выборками считали статистически значимыми при 0.001 ≤ р ≤ 0.10.

РЕЗУЛЬТАТЫ

С учетом того что всхожесть семян является одним из наиболее важных показателей, определяющих будущий урожай, проведена оценка влияния NPs в разных концентрациях и соотношениях в композициях на изменение всхожести семян томата и перца. Если принять прорастание семян в контроле (стандартная среда Мурасиге–Скуга, в которой металлы введены в виде сульфатов) за 100%, то при введении NPs Fe в питательную среду вместо железа сульфата прорастание семян перца увеличивается на 3% и на 7% в присутствии хитозана (рис. 3). Воздействие NPs металлов на всхожесть семян томата было более впечатляющим по сравнению с этим показателем для семян перца. Наибольший эффект увеличения всхожести семян томата (277.8% по сравнении с контролем) наблюдали на среде, содержащей NPs Cu в концентрации 0.0008 мг/л с хитозаном и NPs Cu в концентрации 0.004 мг/л без хитозана. Рисунок 4 демонстрирует разницу ответов семян томата и перца по показателю всхожести семян на средах, содержащих NPs Fe и NPs Cu без и с хитозаном в идентичных концентрациях.

Рис. 3.

Изменение показателей всхожести семян перца (А) и томата (Б) при культивировании на питательных средах с NPs Fe в концентрации 3.0 мг/л и NPs Cu в концентрации 0.04 мг/л в присутствии хитозана и без него. В качестве контроля взята всхожесть семян на стандартной питательной среде Мурасиге–Скуга с солями металлов, равная 100%; 1 – контроль, 2 – культивирование с NPs без хитозана, 3 – культивирование с NPs и с хитозаном. * достоверность р ≤ 0.05

Рис. 4.

Изменение показателей урожайности, количества и массы плодов растения перца при использовании посадочного материала, выращенного в асептических условиях на питательной среде с NPs цинка и хитозаном. * – достоверность р ≤ 0.05.

Введение в питательные среды NPs металлов и хитозана отразилось на морфометрических и физиологических показателях растений: содержание хлорофилла, длины и активности корней, длины ростка и зеленой массы растений. В табл. 1 приведены данные по изменению длины и активности корней растения томата. Полученные данные показали, что введение NPs металлов в разных концентрациях и соотношениях, а также хитозана в питательные среды не привело к достоверным изменениям длины корня растения томата. В то же время активность корня увеличивалась в пределах от 2.1% при включении в среду композиции NPs Fe + NPs Zn + NPs Cu: 10.0 + 3.0 + + 0.04 мг/л и хитозана до 236.8% (р ≤ 0.05) при введении в среду NPs Сu в концентрации 0.004 мг/л и хитозана. Уменьшение активности корня наблюдали при введении в среду NPs Zn в концентрации 0.2 мг/л и хитозана до 87.5% и композиции NPs Fe + + NPs Zn + NPs Cu: 10.0 + 3.0 + 0.04 мг/л до 80.5%. В целом растения, выращенные в асептических условиях на питательных средах с NPs металлов вместо солей и хитозаном, представляют собой оздоровленный посадочный материал с хорошо развитой корневой системой и улучшенными морфофизиологическими показателями. Посадочный материал через 40 дней выращивания в асептических условиях после полного истощения агаризованной питательной среды высаживали в грунт. На рис. 3 представлена диаграмма изменения урожайности, количества и массы плодов растения перца при использовании рассады, выращенной на питательной среде с NPs Zn и хитозаном. Видно, что присутствие хитозана сохраняет показатели урожайности перца, рассада которого выращена на питательной среде с NPs Zn в концентрации 0.04 мг/л: увеличение урожайности на 27.1%, количество плодов – на 26.3% по сравнению с контролем, посадочный материал которого был выращен на стандартной среде Мурасиге–Скуга. При выращивании рассады на питательной среде с NPs Zn в концентрации 0.02 мг/л присутствие хитозана приводило к увеличению урожайности в 2 раза, количества плодов – на 98.1% и массы плодов – на 9.1% по сравнению с контролем. Введение хитозана при культивировании растения перца на питательной среде с NPs Zn в концентрации 1.0 мг/л способствует увеличению урожайности до 154.6%, количества плодов до 155.2% по сравнению с контролем. Описанная тенденция сохраняется для других NPs металлов при введении хитозана.

ОБСУЖДЕНИЕ

Модификация поверхности NPs является универсальным инструментом для улучшения их биосовместимости, снижения токсичности и эффективности поглощения NPs биосистемами [6, 7, 9]. Известно, что среди различных стабилизаторов, используемых для предотвращения агрегации NPs, полисахариды, в частности хитозан, являются перспективными для получения функциональных материалов на основе металлических NPs. Хитозан, полученный путем частичного деацетилирования хитина из панциря ракообразных, является биосовместимым, биоразлагаемым и нетоксичным полимером, состоящим из β-(1-4)-связанного D-глюкозамина и N-ацетил-D-глюкозамина. Большой интерес к этому полимеру также обусловлен большим количеством функциональных групп и его превосходной пленкообразующей способностью. Благодаря присутствию амино- и гидроксильных групп хитозан может участвовать как в восстановительных, так и в стабилизационных процессах. В последнее время, например, все большее внимание уделяется получению NPs Au с хитозаном [19].

В проведенных исследованиях NPs Fe, NPs Zn, NPs Cu были модифицированы хитозаном на стадии их подготовки для введения в питательную среду. В процессе выращивания растений томата и перца на питательных средах с NPs металлов установлено, что морфофизиологические показатели растений превосходят показатели растений, выращенных на стандартной питательной среде с металлами в виде сульфатов. Присутствие хитозана способствовало изменению ответной реакции растений в зависимости от измеряемого показателя, концентрации NPs в питательной среде и вида растений. При этом активность корня, определенная по восстановлению трифенилтетразолия хлорида, увеличивалась в большинстве случаев и, как правило, усиливалась в присутствии хитозана. Это дает основание полагать, что модификация поверхности NPs хитозаном позволяет повышать биосовместимость металлических NPs и эффективность их поглощения корнями растений.

Известно, что NPs обладают антимикробной активностью, что было показано на примере представителей грамотрицательных и грамположительных микроорганизмов [5, 9, 15]. Введение NPs металлов в стерильную питательную среду обеспечивает дополнительную защиту растений от отрицательного действия микробов в период интенсивного роста.

Увеличение доступа жизненно необходимых элементов железа, цинка, меди отражается на росте и развитии растений, о чем свидетельствуют улучшенные морфофизиологические характеристики растений. В результате посадочный материал, полученный в асептических условиях на средах с NPs металлов и хитозаном, позволяет улучшить структуру урожая, а именно повысить урожайность, количество и массу плодов томатов и перцев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученные результаты подтверждают перспективность использования NPs металлов вместо солей этих элементов и хитозана в составе питательных сред. Культивирование растений томата и перца на таких средах позволит повысить всхожесть семян растений. В проведенных исследованиях всхожесть семян перца увеличилась в среднем на 3–7%, семян томата в 1.4–2.8 раза по сравнению со всхожестью семян на стандартной питательной среде. Результатом выращивания растений на модифицированной NPs питательной среде является получение оздоровленного посадочного материала с улучшенными морфофизиологическими показателями, особенно выраженными для корневой системы. При модификации поверхности NPs Fe хитозаном активность корневой системы достоверно увеличивается в 2.44 раза по сравнению с контролем. Полученный посадочный материал, перенесенный в теплицы, позволяет повысить урожайность томатов в среднем на 27.1%, а перца в 2 раза по сравнению с контролем.

Авторы выражают благодарность коллективу китайских коллег во главе с профессором Лю Минь Космической биотехнологической компании “Шэньчжоу” Китайской академии космических технологий за помощь в проведении экспериментов.

Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ.