Особенности формирования повышенной холодоустойчивости пшеницы под влиянием наночастиц золота

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Возрастание климатической нестабильности наряду с усилением техногенной нагрузки на природную среду обусловливают необходимость поиска новых подходов к повышению устойчивости пшеницы к абиотическим факторам, прежде всего, к низкой температуре. Перспективным направлением является использование наночастиц металлов, которые в низких концентрациях обладают способностью позитивно влиять на метаболизм растений. Благодаря малым размерам (менее 100 нм), особым физико-химическим, оптическим и электрическим свойствам, наночастицы проникают через клеточные барьеры, распространяются по растительному организму, влияя практически на все процессы в нем. На примере пшеницы (Triticum aestivum L., сорт Злата) впервые показано, что золотые наночастицы (ЗНЧ) способны действовать как адаптогены, повышая холодоустойчивость растений. В исследовании использовали прайминг (предпосевное замачивание на 24 ч) семян в растворах ЗНЧ (5–50 мкг/мл). Выросшие из обработанных ЗНЧ семян растения отличались от контрольных (необработанных) по ряду физиолого-биохимических и молекулярно-генетических показателей. У них были существенно усилены ростовые процессы и активность фотосинтетического аппарата, повышена экспрессия генов, кодирующих большую (rbcL) и малую (rbcS) субъединицы РБФК/О, а также COR генов – Wcor726 и Wcor15. Более того, полученные из обработанных ЗНЧ семян растения пшеницы отличались от контрольных повышенной устойчивостью к низким температурам, причем эффект проявлялся как в контрольных условиях, так и после низкотемпературного закаливания. Концентрационные тесты показали, что максимальный эффект достигался при использовании ЗНЧ в концентрации 10 мкг/мл. Сделан вывод, что ЗНЧ способны влиять на метаболизм растений и экспрессию генов стрессового ответа, что приводит к существенному увеличению холодоустойчивости. Обсуждаются возможные механизмы действия ЗНЧ на устойчивость к низкой температуре.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Ю. В. Венжик

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Author for correspondence.
Email: jul.venzhik@gmail.com
Russian Federation, Москва

А. Н. Дерябин

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Email: jul.venzhik@gmail.com
Russian Federation, Москва

К. В. Жукова

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Email: jul.venzhik@gmail.com
Russian Federation, Москва

А. О. Соколов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Email: jul.venzhik@gmail.com
Russian Federation, Москва

В. Н. Попов

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Email: jul.venzhik@gmail.com
Russian Federation, Москва

И. Е. Мошков

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук

Email: jul.venzhik@gmail.com
Russian Federation, Москва

References

  1. Azameti M.K., Imoro A.-W.M. Nanotechnology: a promising field in enhancing abiotic stress tolerance in plants // Crop Design. 2023. V. 2. Art. 100037. https://doi.org/10.1016/j.cropd.2023.100037
  2. Zhao L., Bai T., Wei H., Gardea-Torresdey J.L., Keller A., White J.C. Nanobiotechnology – based strategies for enhanced crop stress resilience // Nature Food. 2022. V. 3. P. 829. https://doi.org/10.1038/s43016-022-00596-7
  3. Alaqad K., Saleh T.A. Gold and silver nanoparticles: synthesis methods, characterization routes and applications towards drugs // J. Environ. Anal. Toxicol. 2016. V. 6. P. 384. https://doi.org/10.4172/2161-0525.1000384
  4. Dykman L.A., Khlebtsov N.G. Methods for chemical synthesis of colloidal gold // Russ. Chem. Rev. 2019. V. 88. P. 229.
  5. Ramalingam V. Multifunctionality of gold nanoparticles: plausible and convincing properties // Adv. Colloid Interface Sci. 2019. V. 271. Art.101989. https://doi.org/10.1016/j.cis.2019.101989
  6. Arora S., Sharma P., Kumar S., Nayan R., Khanna P.K., Zaidi M.G.H. Gold-nanoparticle induced enhancement in growth and seed yield of Brassica juncea // Plant Growth Reg. 2012. V. 66. P. 303. https://doi.org/10.1007/s10725-011-9649-z
  7. Kumar V., Guleria P., Kumar V., Yadav S.K. Gold nanoparticle exposure induces growth and yield enhancement in Arabidopsis thaliana // Sci. Total Environ. 2013. V. 461. P. 462. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2013.05.018
  8. Gunjan B., Zaidi M.G.H., Sandeep A. Impact of gold nanoparticles on physiological and biochemical characteristics of Brassica juncea // J. Plant Biochem. Physiol. 2014. V. 2. P. 3. https://doi.org/10.4172/2329-9029.1000133
  9. Wan Y., Li J., Ren H., Huang J., Yuan H. Physiological investigation of gold nanorods toward watermelon // J. Nanosci. Nanotechnol. 2014. V. 14. P. 6089. https://doi.org/10.1166/jnn.2014.8853
  10. Mahakham W., Theerakulpisut P., Maensiri S., Phumying S., Sarmah A.K. Environmentally benign synthesis of phytochemicals-capped gold nanoparticles as nanopriming agent for promoting maize seed germination // Sci. Total Environ. 2016. V. 573. P. 1089. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2016.08.120
  11. Das S., Debnath N., Pradhan S., Goswami A. Enhancement of photon absorption in the light-harvesting complex of isolated chloroplast in the presence of plasmonic gold nanosol – a nanobionic approach towards photosynthesis and plant primary growth augmentation // Gold Bull. 2017. V. 50. P. 247. https://doi.org/10.1007/s13404-017-0214-z
  12. Avellan A., Yun J., Zhang Y., Spielman-Sun E., Unrine J.M., Thieme J., Li J., Lombi E., Bland G., Lowry G.V. Nanoparticle size and coating chemistry control foliar uptake pathways, translocation and leaf-to-rhizosphere transport in wheat // ACS Nano. 2019. V. 13. P. 5291. https://doi.org/10.1021/acsnano.8b09781
  13. Alhammad B.A., Abdel-Aziz H.M.M., Seleiman M.F., Tourky S.M.N. How can biological and chemical silver nanoparticles positively impact physio-chemical and chloroplast ultrastructural characteristics of Vicia faba seedlings? // Plants. 2023. V. 12. P. 2509. https://doi.org/10.3390/plants12132509
  14. Ferrari E., Barbero F., Busquets-Fité M., Franz-Wachtel M., Köhler H-R., Puntes V., Kemmerling B. Growth-promoting gold nanoparticles decrease stress responses in Arabidopsis seedlings // Nanomaterials. 2021. V. 11. P. 3161. https://doi.org/10.3390/nano11123161
  15. Milewska-Hendel A., Witek W., Rypien A., Zubko M., Baranski R., Storoz D., Kurczynska E.U. The development of a hairless phenotype in barley roots treated with gold nanoparticles is accompanied by changes in the symplasmic communication // Sci. Rep. 2019. V. 9. P. 4724. https://doi.org/10.1038/s41598-019-41164-7
  16. Dai Sh., Wang B., Song Y., Xie Zh., Li Ch., Li Sh., Huang Y., Jiang M. Astaxanthin and its gold nanoparticles mitigate cadmium toxicity in rice by inhibiting cadmium translocation and uptake // Sci. Total Environ. 2021. V. 786. P. 147496. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147496
  17. Jiang M., Dai Sh., Wang B., Xie Zh., Li J., Wang L., Li Sh., Tan Yu., Tian B., Shu Q., Huang О. Gold nanoparticles synthesized using melatonin suppress cadmium uptake and alleviate its toxicity in rice // Environ. Sci. Nano. 2021. V. 8. P. 1042. https://doi.org/10.1039/D0EN01172J
  18. Wahid I., Rani P., Kumari S., Ahmad R., Hussain S.J., Alamri S., Tripathy N., Khan M.I.R. Biosynthesized gold nanoparticles maintained nitrogen metabolism, nitric oxide synthesis, ions balance, and stabilizes the defense systems to improve salt stress tolerance in wheat // Chemosphere. 2022. V. 287:132142. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2021.132142
  19. Dykman L.A., Khlebtsov N.G. Gold nanoparticles in biomedical applications: recent advances and perspectives // Chem. Soc. Rev. 2012. V. 41. P. 2256. https://doi.org/10.1039/c1cs15166e
  20. Wellburn A.R. The spectral determination of chlorophyll a and b, as well as total carotenoids, using various solvents with spectrophotometers of different resolution // J. Plant Physiol. 1994. V. 144. P. 307. https://doi.org/10.1016/S0176-1617(11)81192-2
  21. Nakamura M. Determination of fructose in the presence of a large excess of glucose. Part IV. A modified resorcinol-thiourea-hydrochloric acid reaction // Agric. Biol. Chem. 1967. V. 32. P. 696. https://doi.org/10.1271/bbb1961.32.696
  22. Pashkovskiy P., Kreslavski V.D., Ivanov Y., Ivanova A., Kartashov A., Shmarev A., Strokina V., Kuznetsov V.V., Allakhverdiev S.I. Influence of light of different spectral compositions on the growth, photosynthesis, and expression of light-dependent genes of scots pine seedlings // Cells. 2021. V. 10. P. 3284. https://doi.org/10.3390/cells10123284
  23. Hassan H., Alatawi A., Abdulmajeed A., Emam M., Khattab H. Roles of Si and SiNPs in improving thermotolerance of wheat photosynthetic machinery via upregulation of PsbH, PsbB and PsbD genes encoding PSII core proteins // Horticulturae. 2021. V. 7. P. 16. https://doi.org/10.3390/horticulturae7020016
  24. Perdomo J.A., Buchner P., Carmo-Silva E. The relative abundance of wheat Rubisco activase isoforms is post-transcriptionally regulated // Photosynth. Res. 2021. V. 148. P. 47. 10.1007/s11120-021-00830-6' target='_blank'>https://doi: 10.1007/s11120-021-00830-6
  25. Pfaffl M.W. A new mathematical model for relative quantification in real-time RT–PCR // Nucleic Acids Res. 2001. V. 29. Art. e45. 10.1093/nar/29.9.e45' target='_blank'>https://doi: 10.1093/nar/29.9.e45
  26. Rhaman M.S., Tania S.S., Imran S., Rauf F., Kibria M.G., Ye W., Hasanuzzaman M., Murata Y. Seed priming with nanoparticles: an emerging technique for improving plant growth, development, and abiotic stress // J. Soil Sci. Plant Nutr. 2022. V. 22. P. 4047. https://doi.org/10.1007/s42729-022-01007-3
  27. Joshi A., Nayyar A., Dharamvir K., Verma G. Detection of gold nanoparticles signal inside wheat (Triticum aestivum L.) and oats (Avena sativa) seedlings // AIP Conf. Proc. 2018. V. 1953. Art. 030058. https://doi.org/10.1063/1.5032393
  28. Lahiani M.H., Dervishi E., Chen J., Nima Z., Gaume A., Biris A.S., Khodakovskaya M.V. Impact of carbon nanotube exposure to seeds of valuable crops // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2013. V. 5. P. 7965. https://doi.org/10.1021/am402052x
  29. Wang X., Yang X., Chen S., Li Q., Wang W., Hou Ch., Gao X., Wangand L., Wang Sh. Zinc oxide nanoparticles affect biomass accumulation and photosynthesis in Arabidopsis // Plant Sci. 2016. V. 6. P. 1243. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.01243
  30. Hasanpour H., Maali-Amiri R., Zeinali H. Effect of TiO2 nanoparticles on metabolic limitations to photosynthesis under cold in chickpea // Russ. J. Plant Physiol. 2015. V. 62. P. 779. https://doi.org/10.1134/S1021443715060096
  31. John R., Anjum R.A., Sopory S.K., Akram N.A., Ashraf M. Some key physiological and molecular processes of cold acclimation // Biol. Plant. 2016. V. 60. P. 603. https://doi.org/10.1007/s10535-016-0648-9
  32. Keunen E., Peshev D., Vangronsveld J., Ende V.D., Cuypers A. Plant sugars are crucial players in the oxidative challenge during abiotic stress: extending the traditional concept // Plant Cell Environ. 2013. V. 36. P. 1242. https://doi: 10.1111/pce.12061
  33. Chang C.Y.Y., Brautigam K., Huner N.P.A., Ensminger I. Champions of winter survival: cold acclimation and molecular regulation of cold hardiness in evergreen conifers // New Phytol. 2020. V. 229. P. 675. https://doi.org/10.1111/nph.16904
  34. Ouellet F., Vazquez-Tello A., Sarhan F. The wheat wcs120 promoter is cold-inducible in both monocotyledonous and dicotyledonous species // FEBS Lett. 1998. V. 423. P. 324. https://doi.org/10.1016/s0014-5793(98)00116-1
  35. Rehman S.U., Khushi M., Sher H., Que Y., Ali R., Ali S., Hassan I., Murad A., Rahat M. Molecular analysis of cold responsive (COR) genes in selected sugarcane and Saccharum spontaneum L. // Adv. Life Sci. 2022. V. 9. P. 547.
  36. Winifield M.O., Lu C., Wilson I.D., Coghill J.A., Edwards K.J. Plant responses to cold: transcriptome analysis of wheat // Plant Biotechnol. J. 2010. V. 8. P. 749. https://doi.org/10.1111/j.1467-7652.2010.00536.x
  37. NDong C., Danyluk J., Wilson K.E., Pocock T., Huner N.P., Sarhan F. Cold-regulated cereal chloroplast late embryogenesis abundant-like proteins. Molecular characterization and functional analyses // Plant Physiol. 2002. V. 129. P. 1368. https://doi.org/10.1104/pp.001925
  38. Liu F., Si H., Wang C., Sun G., Zhou E., Chen C., Ma C. Molecular evolution of Wcor15 gene enhanced our understanding of the origin of A, B and D genomes in Triticum aestivum // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 31706. https://doi.org/10.1038/srep31706
  39. Takumi S., Koike A., Nakata M., Kume S., Ohno R., Nakamura C. Cold‐specific and light‐stimulated expression of a wheat (Triticum aestivum L.) Cor gene Wcor15 encoding a chloroplast‐targeted protein // J. Exp. Bot. 2003. V. 54. P. 2265. https://doi.org/10.1093/jxb/erg247
  40. Sun C.W., Huang Y.C., Chang H.Y. CIA2 coordinately up-regulates protein import and synthesis in leaf chloroplasts // Plant Physiol. 2009. V. 150. P. 879. https://doi.org/10.1104/pp.109.137240

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Experimental scheme. GNPs – gold nanoparticles.

Download (57KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Unhardened wheat seedlings after freezing at a temperature of –3°C for 24 hours: a – control, b – seedlings treated with GNPs at a concentration of 10 μg/ml.

Download (23KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Hardened (4°C, 7 days) wheat seedlings after freezing at –5°C for 24 hours: a – control, b – seedlings treated with GNPs at a concentration of 10 μg/ml.

Download (20KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Effect of gold nanoparticles (GNPs) on growth parameters (a, b), intensity of visible photosynthesis (c, d) and dark respiration (e, f) of wheat before (a, c, e) and after (b, d, f) ) low-temperature hardening (4°C, 7 days). * – Statistically significant differences at P < 0.05 between plants treated with GNPs and variant 0 (untreated plants).

Download (68KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Effect of gold nanoparticles (GNPs) on the expression of the rbcS and rbcL genes in wheat leaves before (a, c) and after (b, d) low-temperature hardening (4°C, 7 days). * – Statistically significant differences at P < 0.05 between plants treated with GNPs and variant 0 (untreated plants).

Download (46KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Effect of gold nanoparticles (GNPs) on the expression of Wcor726 and Wcor15 genes in wheat leaves before (a, c) and after (b, d) low-temperature hardening (4°C, 7 days). * – Statistically significant differences at P < 0.05 between plants treated with GNPs and variant 0 (untreated plants).

Download (45KB)
Indexing metadata
8. Table S1. Primers for qRT-PCR analysis
Download (33KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».