Advances in Chemical PhysicsAdvances in Chemical PhysicsФизиология растений0015-33033034-624XThe Russian Academy of Sciences26658110.31857/S0015330324030081NMJTVIЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИResearch ArticleОсобенности формирования повышенной холодоустойчивости пшеницы под влиянием наночастиц золотаОсобенности формирования повышенной холодоустойчивости пшеницы под влиянием наночастиц золотаВенжикЮ. В.
Russian Federation
jul.venzhik@gmail.comДерябинА. Н.
Russian Federation
jul.venzhik@gmail.comЖуковаК. В.
Russian Federation
jul.venzhik@gmail.comСоколовА. О.
Russian Federation
jul.venzhik@gmail.comПоповВ. Н.
Russian Federation
jul.venzhik@gmail.comМошковИ. Е.
Russian Federation
jul.venzhik@gmail.comФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук150520247133333451710202417102024Copyright ©; 2024, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2024, Российская академия наук2024Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.rcsi.science/0015-3303/article/view/266581

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.

Triticum aestivumгены РБФК/Озолотые наночастицырастворимые сахараростфотосинтетический аппаратхолодоустойчивостьCOR геныРоссийский научный фондRussian Science Foundation23-26-00054Azameti 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.2023.100037Zhao 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/s43016-022-00596-7Alaqad 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/10.4172/2161-0525.1000384Dykman L.A., Khlebtsov N.G. Methods for chemical synthesis of colloidal gold // Russ. Chem. Rev. 2019. V. 88. P. 229.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.2019.101989Arora 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-zKumar 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.2013.05.018Gunjan 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/10.4172/2329-9029.1000133Wan 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.2014.8853Mahakham 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.2016.08.120Das 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-zAvellan 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.8b09781Alhammad 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/plants12132509Ferrari 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/nano11123161Milewska-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/s41598-019-41164-7Dai 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.2021.147496Jiang 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/D0EN01172JWahid 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.2021.132142Dykman 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/c1cs15166eWellburn 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)81192-2Nakamura 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/bbb1961.32.696Pashkovskiy 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/cells10123284Hassan 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/horticulturae7020016Perdomo 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. https://doi:10.1007/s11120-021-00830-6Pfaffl M.W. A new mathematical model for relative quantification in real-time RT–PCR // Nucleic Acids Res. 2001. V. 29. Art. e45. https://doi:10.1093/nar/29.9.e45Rhaman 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/s42729-022-01007-3Joshi 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/10.1063/1.5032393Lahiani 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/am402052xWang 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.2015.01243Hasanpour 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/S1021443715060096John 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/s10535-016-0648-9Keunen 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.12061Chang 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.16904Ouellet 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)00116-1Rehman 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.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.xNDong 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.001925Liu 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/srep31706Takumi 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/erg247Sun 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