Эффекты воздействия водорастворимых форм фуллеренов и их производных на метаболизм растений и урожайность сельскохозяйственных культур

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Поиск эффективных и экологически безопасных регуляторов роста растений в современных условиях позволяет выявить и описать действие химических веществ на развитие растения, метаболические процессы, биомассу его различных частей и урожайность. Вещества, обладающие наименьшей токсичностью для живых организмов, представляют особый интерес в данной области. В частности, к таковым относятся фуллерены С60, С70 и их производные. В настоящей работе описано воздействие как самих фуллеренов, так и их производных на рост растений, урожайность, а также наблюдаемые метаболические и морфологические изменения, их зависимость от способов обработки, от химического строения и количества вещества, используемого для обработки.

Об авторах

О. В. Ямскова

Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: olga_yamskova@mail.ru
Россия, Москва

Д. В. Курилов

Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН

Email: olga_yamskova@mail.ru
Россия, Москва

И. В. Заварзин

Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского РАН

Email: olga_yamskova@mail.ru
Россия, Москва

М. С. Краснов

Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН

Email: olga_yamskova@mail.ru
Россия, Москва

Т. В. Воронкова

Главный ботанический сад им. Н.В. Цицина РАН

Email: olga_yamskova@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Безмельницын В.Н., Елецкий А.В., Окунь М.В. Фуллерены в растворах // Успехи физ. наук. 1998. Т. 168. № 11. С. 1195–1220.
  2. Волков В.А., Ямскова О.В., Воронков М.В. и др. Новые стимуляторы роста растений на основе водорастворимых наночастиц N-замещенных моноаминокислотных производных фуллерена С60 и изучение механизма их действия // Биофизика. 2020. Т. 65. № 4. С. 745–752.
  3. Думпис М.А., Литасова Е.В., Ильин В.В. и др. Продукты взаимодействия аминокислот с фуллереном С60 // Изв. СПбГТИ (ТУ). 2014. № 24. С. 32–34.
  4. Думпис М.А., Николаев Д.Н., Литасова Е.В. и др. Биологическая активность фуллеренов – реалии и перспективы // Обз. клин. фармакол. лекарств. терапии. 2018. Т. 16. № 1. С. 4–20.
  5. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Кластер С60 – новая форма углерода // Успехи физ. наук. 1991. Т. 161. № 7. С. 173–192.
  6. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены // Успехи физ. наук. 1993. Т. 163. № 2. С. 33–60.
  7. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Фуллерены и структура углерода // Успехи физ. наук. 1995. Т. 165. № 9. С. 977–1009.
  8. Зайцев В.И., Корсакова О.М., Хорошайлов Н.Г. и др. ГОСТ 12038-84. Межгосударственный стандарт. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. М.: Стандартинформ, 2011. 64 с.
  9. Запрометов М.Н. Фенольные соединения. Распространение, метаболизм и функции в растениях. М.: Наука, 1993. 272 с.
  10. Игуменова Т.И., Чичварин А.В., Синявин М.С., Елина А.С. Способ получения аддуктов смеси фуллеренов фракции С50–С92 и регулятор роста растений на их основе. Патент РФ № 2581658. Рег. 10.02.2014. Опубл. 20.04.2016.
  11. Молчан О.В., Обуховская Л.В., Реутский В.Г. Влияние фуллеренола на прорастание семян, содержание фенольных соединений и их антирадикальную активность в проростках ячменя // Труды БГУ. Физиол. биохим. мол. осн. функцион. биосист. 2014. Т. 9. Ч. 1. С. 56–61.
  12. Мчедлов-Петросян Н.О. Растворы фуллерена С60: коллоидный аспект // Хiмiя, фiзика та технологiя поверхнi. 2010. Т. 1. № 1. С. 19–37.
  13. Лукаткин А.С. Вклад окислительного стресса в развитие холодового повреждения в листьях теплолюбивых растений. 1. Образование активированных форм кислорода при охлаждении растений // Физиол. раст. 2002. Т. 49. № 5. С. 697–702.
  14. Обручева Н.В., Антипова О.В. Физиология инициации прорастания семян // Физиол. раст. 1997. Т. 44. № 2. С. 287–302.
  15. Панова Г.Г., Синявина Н.Г., Скобелева О.В. и др. Наноматериал фуллеренол d – перспективы использования в растениеводстве // Сб. мат. “Научная сессия по итогам 2012 г. Агрофизического института” (СПб., 2–3 апреля 2013 г.). СПб.: АНИИ РАСХН, 2013. С. 68–74.
  16. Панова Г.Г., Семенов К.Н., Шилова О.А. и др. Водорастворимые производные фуллеренов и кремнезольные нанокомпозиции как перспективные наноматериалы для использования в растениеводстве // Агрофизика. 2015. № 4. С. 37–48.
  17. Панова Г.Г., Канаш Е.В., Семенов К.Н. и др. Производные фуллерена стимулируют продукционный процесс, рост и устойчивость к окислительному стрессу у растений пшеницы и ячменя // С.-х. биол. 2018. Т. 53. № 1. С. 38–49.
  18. Романова В.С., Цыряпкин В.А., Ляховецкий Ю.И. и др. Присоединение аминокислот и дипептидов к фуллерену С60 с образованием моноаддуктов // Изв. АН. Сер. хим. 1994. № 6. С. 1154–1155.
  19. Якушев В.П., Канаш Е.В., Осипов Ю.А. и др. Оптические критерии при контактной и дистанционной диагностике состояния посевов пшеницы и эффективности фотосинтеза на фоне дефицита минерального питания // С.-х. биол. 2010. Т. 45. № 3. С. 94–101.
  20. Ямскова О.В., Кондратьева В.В., Воронкова Т.В. и др. Влияние коллоидного водного раствора фуллерена С60 как экологически безопасного регулятора роста на прорастание семян и урожайность пшеницы // Технол. товаровед. инновац. пищ. прод. 2019а. Т. 3. № 56. С. 39–45.
  21. Ямскова О.В., Колягин Ю.Г., Романова В.С. и др. Твердотельный ЯМР аминокислотных производных фуллерена С60 // Журн. физ. химии. 2019б. Т. 93. № 2. С. 266–268.
  22. Adeel M., Farooq T., White J.C. et al. Carbon-based nanomaterials suppress tobacco mosaic virus (TMV) infection and induce resistance in Nicotiana benthamiana // J. Hazard. Mater. 2021. V. 404. Pt A. P. 124167.
  23. Ahmadi S.Z., Ghorbanpour M., Aghaee A., Hadian J. Deciphering morpho-physiological and phytochemical attributes of Tanacetum parthenium L. plants exposed to C60 fullerene and salicylic acid // Chemosphere. 2020. V. 259. P. 127406.
  24. Andrievsky G.V., Kosevich M.V., Vovk O.M. et al. On the production of an aqueous colloidal solution of fullerenes // J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1995. V. 8. № 12. P. 1281–1282.
  25. Andrievsky G.V., Klochkov V.K., Karyakina E.L., Mchedlov-Petrossyan N.O. Studies of aqueous colloidal solutions of fullerene C60 by electron microscopy // Chem. Phys. Lett. 1999. V. 300. № 3–4. P. 392–396.
  26. Andrievsky G.V., Klochkov V.K., Bordyuh A.B., Dovbeshko G.I. Comparative analysis of two aqueous-colloidal solutions of C60 fullerene with help of FTIR reflectance and UV-Vis spectroscopy // Chem. Phys. Lett. 2002. V. 364. № 1–2. P. 8–17.
  27. Andrievsky G.V., Klochkov V.K., Derevyanchenko L.I. Is C60 fullerene molecule toxic?! // Fuller. Nanotub. Carb. Nanostruct. 2005. V. 13. № 4. P. 363–376.
  28. Avanasi R., Jackson W.A., Sherwin B. et al. C60 fullerene soil sorption, biodegradation, and plant uptake // Environ. Sci. Technol. 2014. V. 48. № 5. P. 2792–2797.
  29. Aslani F., Bagheri S., Julkapli N.M. et al. Effects of engineered nanomaterials on plants growth: an owerview // Sci. World J. 2014. Art. ID 641759. 28 p.
  30. Beuerle F., Lebovitz R., Hirsch A. Antioxidant properties of water-soluble fullerene derivatives // Medicinal chemistry and pharmacological potential of fullerenes and carbon nanotubes / Eds F. Cataldo, T. Da Ros. Dordrecht: Springer, 2008. P. 51–78.
  31. Bityutskii N.P., Yakkonen K.L., Lukina K.A., Semenov K.N. Fullerenol increases effectiveness of foliar iron fertilization in iron-deficient cucumber // PLoS One. 2020. V. 15. № 5. P. e0232765.
  32. Bityutskii N.P., Yakkonen K.L., Puzanskiy R. et al. Fullerenol changes metabolite responses differently depending on the iron status of cucumber plants // PLoS One. 2021a. V. 16. № 5. P. e0251396.
  33. Bityutskii N.P., Yakkonen K.L., Lukina K.A. et al. Fullerenol can ameliorate iron deficiency in cucumber grown hydroponically // J. Plant Growth Regul. 2021b. V. 40. № 3. P. 1017–1031.
  34. Bityutskii N.P., Yakkonen K.L., Lukina K.A., Semenov K.N. Fullerenol affects maize plants depending on their iron status // Biol. Plantarum. 2022. V. 66. № 5. P. 76–82.
  35. Brant J.A., Labille J., Robichaud C.O., Wiesner M. Fullerol cluster formation in aqueous solutions: implications for environmental release // J. Coll. Interface Sci. 2007. V. 314. № 1. P. 281–288.
  36. Chen R., Ratnikova T.A., Stone M.B. et al. Differential uptake of carbon nanoparticles by plant and mammalian cells // Small. 2010. V. 6. № 5. P. 612–617.
  37. Chiang L.Y., Wang L.Y., Swirczewski J.W. et al. Efficient synthesis of polyhydroxylated fullerene derivatives via hydrolysis of polycyclosulfated precursors // J. Org. Chem. 1994. V. 59. Iss. 14. P. 3960–3968.
  38. Chiang L.Y., Bhonsle J.B., Wang L. et al. Efficient one-flask synthesis of water-soluble [60]fullerenols // Tetrahedron. 1996. V. 52. № 14. P. 4963–4972.
  39. Curl R.F., Smalley R.E. Probing C60 // Science. 1988. V. 242. № 4881. P. 1017–1022.
  40. De La Torre-Roche R., Hawthorne J., Deng Y.Q. et al. Fullerene-enchanced accumulation of p,p'-DDE in agricultural crop species // Environ. Sci. Technol. 2012. V. 46. № 17. P. 9315–9323.
  41. De La Torre-Roche R., Hawthorne J., Deng Y.Q. et al. Multiwalled carbon nanotubes and C60 fullerenes differentially impact the accumulation of weathered pesticides in four agricultural plants // Environ. Sci. Technol. 2013. V. 47. № 21. P. 12539–12547.
  42. Gao J., Wang Y.H., Folta K.M. et al. Polyhydroxy fullerenes (fullerols or fullerenols): beneficial effects on growth and lifespan in diverse biological models // PLoS One. 2011. V. 6. № 5. P. e19976.
  43. Gharbi N., Pressac M., Hadchouel M. et al. [60]Fullerene is a powerful antioxidant in vivo with no acute or subacute toxicity // Nano Lett. 2005. V. 5. № 12. P. 2578–2585.
  44. He A.F., Jiang J., Ding J., Sheng G.D. Blocking effect of fullerene nanoparticles (nC60) on the plant cell structure and its phytotoxicity // Chemosphere. 2021. V. 278. P. 130474. 10 p.
  45. Hirsch A. Fullerenes and related structures. Berlin: Springer, 2013. 248 p.
  46. Husen A., Siddiqi K.S. Carbon and fullerene nanomaterials in plant system // J. Nanobiotechnol. 2014. V. 12. P. 16.
  47. 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. P. 37–44.
  48. Kelsey J.W., White J.C. Effect of C60 fullerenes on the accumulation of weathered p,p'-DDE by plant and earthworm species under single and multispecies conditions // Environ. Toxicol. Chem. 2013. V. 32. № 5. P. 1117–1123.
  49. Khodakovskaya M.V., Kim B.S., Kim J.N. et al. Carbon nanotubes as plant growth regulators: effects on tomato growth, reproductive system, and soil microbial community // Small. 2013. V. 9. № 1. P. 115–123.
  50. Kokubo K., Matsubayashi K., Tategaki H. et al. Facile synthesis of highly water-soluble fullerenes more than half-covered by hydroxyl groups // ACS Nano. 2008. V. 2. № 2. P. 327–333.
  51. Kole C., Kole P., Randunu K.M. et al. 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. V. 13. P. 37.
  52. Kumar S., Patra A.K., Datta S.C. et al. Phytotoxicity of nanoparticles to seed germination of plants // Int. J. Adv. Res. 2015. V. 3. № 3. P. 854–865.
  53. Lamparth I., Hirsch A. Water-soluble malonic acid derivatives of C60 with a defined three-dimensional structure // J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1994. Iss. 14. P. 1727–1728.
  54. Lang J., Melnykova M., Catania M. et al. A water-soluble [60]fullerene-derivative stimulates chlorophyll accumulation and has no toxic effect on Chlamydomonas reinhardtii // Acta Biochim. Pol. 2019. V. 66. № 3. P. 257–262.
  55. Li J., Takeuchi A., Ozawa M. et al. C60 fullerol formation catalysed by quaternary ammonium hydroxides // J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1993. Iss. 23. P. 1784–1785.
  56. Li D., Lyon D.Y., Li Q.L., Alvarez P.J.J. Effect of soil sorption and aquatic natural organic matter on the antibacterial activity of a fullerene water suspension // Environ. Toxicol. Chem. 2008. V. 27. № 9. P. 1888–1894.
  57. Lin S.J., Reppert J., Hu Q. et al. Uptake, translocation, and transmission of carbon nanomaterials in rice plants // Small. 2009. V. 5. № 10. P. 1128–1132.
  58. Liu Q.L., Zhao Y.Y., Wan Y.L. et al. Study of the inhibitory effect of water-soluble fullerenes on plant growth at the cellular level // ACS Nano. 2010. V. 4. № 10. P. 5743–5748.
  59. Liu Q.L., Zhang X.J., Zhao Y.Y. et al. Fullerene-induced increase of glycosyl residue on living plant cell wall // Environ. Sci. Technol. 2013. V. 47. № 13. P. 7490–7498.
  60. Liu Y.J., Wang T.T., Cao J.H. et al. Quaternary ammonium salts of iminofullerenes: fabrication and effect on seed germination // J. Agric. Food Chem. 2019. V. 67. № 49. P. 13509 –13517.
  61. Ma X.M., Wang C. Fullerene nanoparticles affect the fate and uptake of trichloroethylene in phytoremediation systems // Environ. Eng. Sci. 2010. V. 27. № 11. P. 989–992.
  62. Mchedlov-Petrossyan N.O. Fullerenes in liquid media: an unsettling intrusion into the solution chemistry // Chem. Rev. 2013. V. 113. № 7. P. 5149–5193.
  63. Nair R., Varghese S.H., Nair B.G. et al. Nanoparticulate material delivery to plants // Plant Sci. 2010. V. 179. № 3. P. 154–163.
  64. Noctor G., De Paepe R., Foyer C.H. Mitochondrial redox biology and homeostasis in plants // Trends Plant Sci. 2007. V. 12. № 3. P. 125–134.
  65. Ozfidan-Konakci C., Alp F.N., Arikan B. et al. The effects of fullerene on photosynthetic apparatus, chloroplast-encoded gene expression, and nitrogen assimilation in Zea mays under cobalt stress // Physiol. Plant. 2022a. V. 174. № 3. P. e13720.
  66. Ozfidan-Konakci C., Alp F.N., Arikan B. et al. The biphasic responses of nanomaterial fullerene on stomatal movement, water status, chlorophyll a fluorescence transient, radical scavenging system and aquaporin-related gene expression in Zea mays under cobalt stress // Sci. Tot. Environ. 2022b. V. 826. P. 154213.
  67. Panova G.G., Ktitorova I.N., Skobeleva O.V. et al. Impact of polyhydroxy fullerene (fullerol or fullerenol) on growth and biophysical characteristics of barley seedlings in favourable and stressful conditions // Plant Growth Regul. 2016. V. 79. № 3. P. 309–317.
  68. Panova G.G., Kanash E.V., Khomyakov Yu.V. et al. Bioactivity study of the C60-L-threonine derivative for potential application in agriculture // J. Nanomaterials. 2019. V. 2019. P. 2306518.
  69. Panova G.G., Zhuravleva A.S., Khomyakov Yu.V. et al. Plant impact properties of carboxylated fullerene C60[C(COOH)2]3 // J. Mol. Struct. 2021. V. 1235. P. 130163.
  70. Purvis A.C., Shewfelt R.L., Gegogeine J.W. Superoxide production in mitochondria isolated from green bell pepper fruit // Physiol. Plant. 1995. V. 94. P. 743–749.
  71. Rico C.M., Majumdar S., Duarte-Gardea M. et al. Interaction of nanoparticles with edible plants and their possible implications in the food chain // J. Agric. Food Chem. 2011. V. 59. № 8. P. 3485–3498.
  72. Rudalevige T., Francis A.H., Zand R. Spectroscopic studies of fullerene aggregates // J. Phys. Chem. A. 1998. V. 102. № 48. P. 9797–9802.
  73. Santos S.M.A., Dinis A.M., Rodrigues D.M.F. et al. Studies on the toxicity of an aqueous suspension of C60 nanoparticles using a bacterium (gen. Bacillus) and an aquatic plant (Lemna gibba) as in vitro model systems // Aquat. Toxicol. 2013. V. 142–143. P. 347–354.
  74. Semenov K.N., Charykov N.A., Keskinov V.N. Fullerenol: synthesis and identification. Properties of the fullerenol water solutions // J. Chem. Eng. Data. 2011. V. 56. № 2. P. 230–239.
  75. Shafiq F., Iqbal M., Ali M., Ashraf M.A. Fullerenol regulates oxidative stress and tissue ionic homeostasis in spring wheat to improve net-primary productivity under salt-stress // Ecotoxicol. Environ. Saf. 2021. V. 211. P. 111901.
  76. Tao X.J., Yu Y.X., Fortner J.D. et al. Effects of aqueous stable fullerene nanocrystal (nC60) on Scenedesmus obliquus: evaluation of the sub-lethal photosynthetic responses and inhibition mechanism // Chemosphere. 2015. V. 122. P. 162–167.
  77. Tong Z.H., Bischoff M., Nies L. et al. Impact of fullerene (C60) on a soil microbial community // Environ. Sci. Technol. 2007. V. 41. № 8. P. 2985–2991.
  78. Vileno B., Marcoux P.R., Lekka M. et al. Spectroscopic and physical properties of a highly derivatized C60 fullerol // Adv. Funct. Mater. 2006. V. 16. № 1. P. 120–128.
  79. Wang C.L., Zhang H., Ruan L.F. et al. Bioaccumulation of 13C-fullerenol nanomaterials in wheat // Environ. Sci. Nano. 2016. V. 3. Iss. 4. P. 799–805.
  80. Yin J.J., Lao F., Fu P.P.C. et al. The scavenging of reactive oxygen species and the potential for cell protection by functionalized fullerene materials // Biomaterials. 2009. V. 30. № 4. P. 611–621.
  81. Zaytseva O., Neumann G. Carbon nanomaterials: production, impact on plant development, agricultural and environmental applications // Chem. Biol. Technol. Agric. 2016. V. 3. P. 17.
  82. Zha Y.Y., Yang B., Tang M.L. et al. Concentration-dependent effects of fullerenol on cultured hippocampal neuron viability // Int. J. Nanomed. 2012. V. 7. P. 3099–3109.

© О.В. Ямскова, Д.В. Курилов, И.В. Заварзин, М.С. Краснов, Т.В. Воронкова, 2023

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах