Производные фуллерена стимулируют продукционный процесс, рост и устойчивость к окислительному стрессу у растений пшеницы и ячменя

Производные фуллерена стимулируют продукционный процесс, рост и устойчивость к окислительному стрессу у растений пшеницы и ячменя

Автор: Панова Г.Г., Канаш Е.В., Семенов К.Н., Чарыков Н.А., Хомяков Ю.В., Аникина Л.М., Артемьева А.М., Корнюхин Д.Л., Вертебный В.Е., Синявина Н.Г., Удалова О.Р., Куленова Н.А., Блохина С.Ю.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Агробиология зерновых культур

Статья в выпуске: 1 т.53, 2018 года.

Бесплатный доступ

Создание высокоэффективных экологически безопасных препаратов для повышения продуктивности и устойчивости агро- и экосистем - актуальная задача современной науки. В этой связи в качестве перспективных форм рассматриваются углеродные наноструктуры - водорастворимые производные фуллеренов С60 и С70, применяемых в биомедицине и фармакологии. Показано, что ониспособны проникать через биомембраны благодаря липофильности и наноразмерам, транспортировать лекарственные вещества к клеткам-мишеням, обладают антиоксидантными свойствами. Однако о механизмах влияния фуллеренов на растения мало что известно. Мы впервые изучили воздействие производных фуллерена С60 на процессы, обусловливающие нетто-продуктивность и устойчивость растений к окислительному стрессу. В исследованиях использовали фуллеренол и аддукты фуллерена С60 с незаменимыми аминокислотами треонином, лизином, аргинином, а также с аминокислотой гидроксипролином, синтезированные нами ранее с применением оригинальной одностадийной методики. В двух вегетационных экспериментах в регулируемых условиях (аэрируемый питательный раствор, светоустановка) выявлен стимулирующий эффект этих производных фуллерена на рост яровой пшеницы и ячменя при добавлении в корнеобитаемую среду и при некорневой обработке. Так, у растений отмечали увеличение биомассы листьев, стеблей, корней (на 27-226 %, р 60-оксипролин, фуллерен С60-треонин. Очевидно, наблюдаемый эффект был связан с установленной способностью фуллеренола и аминокислотных производных фуллерена С60 оказывать регуляторное воздействие на синтез фотосинтетических пигментов и, как следствие, на эффективность фотосинтеза. Сравнение индексов отражения, характеризующих содержание хлорофиллов (ChlRI) и антоцианов (ARI) в листьях, показало, что в целом под влиянием производных фуллеренов формируется фотосинтетический аппарат, обладающий бóльшим потенциалом. При воздействии испытуемых производных фуллерена также снижалась интенсивность перекисного окисления липидов, увеличивалась (преимущественно у ячменя) или уменьшалась генерация активных форм кислорода и повышалась активность супероксиддисмутазы в листьях и (или) корнях. Эти изменения в состоянии растений были наиболее выражены при действии фуллеренола, С60-треонина и С60-гидроксипролина. В условиях моделируемого стресса (УФ-В облучение, 20 кДж/м2) устойчивость растений ячменя после некорневой обработки растворами фуллеренола, С60-треонина и С60-гидрокспролина, судя по массе надземной части и корней, оказалась на 10-20 % выше, чем у контрольных облученных растений, показавших снижение массы надземной части примерно на 33 %, корней - на 10-20 %. Выявленное положительное влияние синтезированных аминокислотных производных фуллерена C60 и фуллеренола на продукционный процесс и устойчивость растений к окислительному стрессу, высокая эффективность в малых концентрациях (соответственно, низкие затраты на применение) и экологическая безопасность свидетельствуют о перспективности дальнейшего изучения механизмов влияния этих соединений на почвенно-растительную систему с целью создания на их основе препаратов для использования в растениеводстве.

Еще

Аминокислотные производные фуллерена c60, фуллеренол, продукционный процесс растений, оптимизация, окислительный стресс, устойчивость, экологически безопасные препараты, растениеводство

Короткий адрес: https://sciup.org/142214121

IDR: 142214121   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2018.1.38rus

Список литературы Производные фуллерена стимулируют продукционный процесс, рост и устойчивость к окислительному стрессу у растений пшеницы и ячменя

  • Пиотровский Л.Б., Киселев О.И. Фуллерены в биологии. СПб, 2006.
  • Semenov K.N., Charykov N.A., Keskinov V.A. Fullerenol synthesis and identification. Рroperties of fullerenol water solutions. J. Chem. Eng. Data, 2011, 56: 230-239 ( ) DOI: 10.1021/je100755v
  • Пиотровский Л.Б. Фуллерены в дизайне лекарственных веществ. Российские нанотехнологии, 2007, 2(7-8): 6-18.
  • Andreev I., Petrukhina A., Garmanova A., Babakhin A., Andreev S., Romanova V., Troshin P., Troshina O., DuBuske L. Penetration of fullerene C60 derivatives through biological membranes. Fullerenes, Nanotubes, and Carbon Nanostructures, 2008, 16: 89-102 ( ) DOI: 10.1080/15363830701885831
  • Корнев А.Б., Трошина О.А., Трошин П.А. Биологически активные производные фуллеренов, методы их получения и применение в медицине. В кн.: Органические и гибридные наноматериалы: тенденции и перспективы/Под ред. В.Ф. Разумова, М.В. Клюева. Иваново, 2013: 392-485.
  • Gao J., Wang Y., Folta K.M., Krishna V., Bai W., Indeglia P., Georgieva A., Nakamura H., Koopman B., Moudgi B. Polyhydroxy fullerenes (fullerols or fullerenols): beneficial effects on growth and lifespan in diverse biological models. PLoS ONE, 2011, 6(5): e19976 ( ) DOI: 10.1371/journal.pone.0019976
  • Zhaо Y.Y., Yang B., Tang M.L. Guo Q-Ch., Chen Ju-T., Wen L-P., Wang M. Concentration-dependent effects of fullerenol on cultured hippocampal neuron viability. Int. J. Nanomed., 2012, 7: 3099-3109 ( ) DOI: 10.2147/IJN.S30934
  • Kole C., Kole P., Randunu K.M., Choudhary P., Podila R., Ke P.C., Rao A.M., Marcus R.K. Nanobiotechnology can boost crop production and quality: first evidence from increased plant biomass, fruit yield and phytomedicine content in bitter melon (Momordica charantia). BMC Biotechnol., 2013, 13: 37-58 ( ) DOI: 10.1186/1472-6750-13-37
  • Panova G.G., Ktitorova I.N., Skobeleva O.V., Sinjavina N.G., Charykov N.A., Semenov K.N. Impact of polyhydroxy fullerene (fullerol or fullerenol) on growth and biophysical characteristics of barley seedlings in favourable and stressful conditions. Plant Growth Regul., 2016, 79: 309-317 ( ) DOI: 10.1007/s10725-015-0135-x
  • Chen R., Ratnikova T.A., Stone M.B., Lin S., Lard M., Huang G., Hudson J.S., Ke P. C. Differential uptake of carbon nanoparticles by plant and Mammalian cells. Small, 2010, 6: 612-617 ( ) DOI: 10.1002/smll.200901911
  • Dugan L.L., Lovett E.G., Quick K.L., Lotharius J., Lin T.T., O’Malley K.L. Fullerene-based antioxidants and neurodegenerative disorders. Parkinsonism Relat. Disord., 2001, 7: 243-246 ( ) DOI: 10.1016/S1353-8020(00)00064-X
  • Gharbi N., Pressac M., Hadchouel M., Szwarc H., Wilson S.R., Moussa F. Fullerene is a powerful antioxidant in vivo with no acute or subacute toxicity. Nano Lett., 2005, 5: 2578-2585 ( ) DOI: 10.1021/nl051866b
  • Yin J.J., Lao F., Fu P.P., Wamer W.G., Zhao Y., Wang P.C., Qiu Y., Sun B., Xing G., Dong J., Liang X.-J., Chen C. The scavenging of reactive oxygen species and the potential for cell protection by functionalized fullerene materials. Biomaterials, 2009, 30(4): 611-621 ( ) DOI: 10.1016/j.biomaterials.2008.09.061
  • Lin S., Reppert J., Hu Q., Hudson J.S., Reid M.L., Ratnikova T.A., Rao A.M., Luo H., Ke P.C. Uptake, translocation, and transmission of carbon nanomaterials in rice plants. Small, 2009, 5: 1128-1132 ( ) DOI: 10.1002/smll.200801556
  • Avanasi R., Jackson W.A., Sherwin B., Mudge J.F., Anderson T.A. C60 fullerene soil sorption, biodegradation, and plant uptake. Environ. Sci. Technol., 2014, 48(5): 2792-2797 ( ) DOI: 10.1021/es405306w
  • Wang C., Zhang H., Ruan L., Chen L., Li H., Chang X.-L., Zhang X., Yang S.-T. Bioaccumulation of 13C-fullerenol nanomaterials in wheat. Environ. Sci.: Nano, 2016, 4: 1-7 ( ) DOI: 10.1039/C5EN00276A
  • Семенов К.Н., Чарыков Н.А., Намазбаев В.И., Кескинов В.А. Способ получения смеси фуллеренолов. Патент РФ на изобретение RU 2495821 C2. ЗАО ИЛИП (RU), ООО Агрофизпродукт (RU). № 2010122963/05. Заявл. 04.06.2010. Опубл. 20.10.2013. Бюл. № 29.
  • Семёнов К.Н., Чарыков Н.А., Кескинов В.А., Кескинова М.В., Сафьянников Н.М., Шубина В.А. Способ получения фуллеренолов. Патент РФ на изобретение RU 2481267 C2. ООО «Биогельтек» (RU). № 2011106276/05. Заявл. 11.02.2011. Опубл. 10.05.2013. Бюл. № 13.
  • Панова Г.Г., Черноусов И.Н., Удалова О.Р., Александров А.В., Карманов И.В., Аникина Л.М., Судаков В.Л. Научно-технические основы круглогодичного получения высоких урожаев качественной растительной продукции при искусственном освещении. Доклады РАСХН, 2015, 4: 17-21.
  • Purvid A.C., Shewfeld R.L., Gegogeine J.W. Superoxide production in mitochondria isolated from green bell pepper fruit. Physiologia Plantarum, 1995, 94: 743-749 ( ) DOI: 10.1111/j.1399-3054.1995.tb00993.x
  • Лукаткин А.С. Вклад окислительного стресса в развитие холодового повреждения в листьях теплолюбивых растений. 1. Образование активированных форм кислорода при охлаждении растений. Физиология растений, 2002, 49: 697-702.
  • Некрасова Г.Ф., Киселева И.С. Экологическая физиология растений. Екатеринбург, 2008.
  • Якушев В.П., Канаш Е.В., Осипов Ю.А., Якушев В.В., Лекомцев П.В., Воропаев В.В. Оптические критерии при контактной и дистанционной диагностике состояния посевов. Сельскохозяйственная биология, 2010, 3: 94-101
  • Kanash E.V., Panova G.G., Blokhina S.Yu. Optical criteria for assessment of efficiency and adaptogenic characteristics of biologically active preparations. Acta Horticulturae, 2013, 1009: 37-44 ( ) DOI: 10.17660/ActaHortic.2013.1009.2
  • Канаш Е.В., Ермаков Е.И. Современные проблемы экологической УФ-В радиации в физиологии растений и растениеводстве. В сб.: Регулируемая агроэкосистема в растениеводстве и экофизиологии. СПб, 2007: 232-253.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp