doi: 10.15389/agrobiology.2017.1.13rus
УДК 581.1:57.044:546.55/.59:539.2
Работа частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проекты №№ 14-04-00114, 16-04-00520).
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ РАСТЕНИЙ С НАНОЧАСТИЦАМИ БЛАГОРОДНЫХ
МЕТАЛЛОВ (обзор)
Л.А. ДЫКМАН, С.Ю. ЩЁГОЛЕВ
Золотые и серебряные наночастицы находят применение в разнообразной биомедицинской практике в качестве носителей лекарственных веществ, усилителей и (или) преобразователей оптического сигнала, иммуномаркеров и др. В обзоре систематизированы результаты публикаций последних лет (2007-2016 годы), демонстрирующие разнообразные итоги воздействия наночастиц золота и серебра на состояние, рост и продуктивность высших растений. Возможная фитотоксичность этих наночастиц активно изучается фактически не более 10 лет. Актуальность подобных исследований связана с установлением целого ряда факторов природного и техногенного характера, приводящих к взаимодействиям растений с наночастицами (B.P. Colman с соавт., 2013; N.G. Khlebtsov с соавт., 2011). О положительном или отрицательном влиянии наночастиц на клетки растений и растительный организм известно очень немного, и эти данные весьма противоречивы (P. Manchikanti с соавт., 2010; M. Carrière с соавт., 2012; C. Remédios с соавт., 2012; N. Zuverza-Mena с соавт., 2016), но не вызывает сомнений, что химическая природа, размер, форма, поверхностный заряд и вводимая доза относятся к основным факторам, обусловливающим процессы внутриклеточного проникновения наночастиц. Объектами наблюдений были как модельные (арабидопсис), так и культурные (соя, рапс, бобы, рис, редька, томаты, тыква) растения. Показано, что наночастицы серебра токсичнее наночастиц золота, что обусловлено более активной диффузией ионов серебра с их поверхности. Известно, что ионы серебра эффективно ингибируют биосинтез этилена, регулирующего в растении процессы при стрессе, старении (созревании) и др., в то время как ионы золота не влияют на биосинтез и сигналинг этого фитогормона. В целом токсичность ионов металлов заметно превосходит таковую у наночастиц. Механизм фитотоксического действия наночастиц зачастую связывают с накоплением в тканях растения активных форм кислорода. Перспективным подходом при продолжении исследований представляется использование суспензионных культур клеток (E. Planchet с соавт., 2015). Таким образом, проблема фитотоксичности наночастиц далека от убедительного решения. Срок, в течение которого эти исследования проводятся, по-видимому, еще мал для того, чтобы все аспекты проблемы были выяснены так, как того требуют принципы биобезопасности. Противоречивые (зачастую противоположные) данные о влиянии наночастиц золота и серебра на растения объясняются, на наш взгляд, различиями в условиях экспериментов (неодинаковые размеры и заряды наночастиц, вводимые дозы, длительность наблюдения и др.). Однако полученные результаты с очевидностью выявляют необходимость скоординированной программы исследований для установления корреляций между параметрами частиц, дизайном эксперимента и наблюдаемыми биологическими эффектами.
Ключевые слова: золотые наночастицы, серебряные наночастицы, токсичность, биологические эффекты, растения.
INTERACTIONS OF PLANTS WITH NOBLE METAL NANOPARTICLES
(review)
L.A. Dykman, S.Yu. Shchyogolev
Gold and silver nanoparticles are used in a variety of biomedical practice as carriers of drugs, enhancers and/or converters of optical signal, immunomarkers, etc. The review examines a decade publications (2007-2016) pertaining to the various influence of nanoparticles of noble metals (gold and silver) on growth and productivity of higher plants. In fact, possible phytotoxicity of these nanoparticles is being actively studied for over 10 years. The topicality of this field of research is due to the detection of a number of natural and human-caused factors resulting in interactions of plants with nanoparticles (B.P. Colman et al., 2013; N.G. Khlebtsov et al., 2011). A positive or negative impact of nanoparticles on plants is little known, and the information is very contradictory (P. Man-chikanti et al., 2010; M. Carrière et al., 2012; C. Remédios et al., 2012; N. Zuverza-Mena et al., 2016). In the study both model (Arabidopsis thaliana) and cultivated plants (soy, canola, beans, rice, radish, tomato, pumpkin, etc.) were involved. The discussed data are indicative of both positive and negative effects of metal nanoparticles on plants, as well as of the chemical nature, size, shape, surface charge, and the dose introduced being the major factors that are responsible for the processes of intracellular nanoparticle penetration. In general terms, it was mentioned that silver nanoparticles were more toxic as compared to gold ones being due to more active silver ion diffusion from the silver nanoparticle surface. Silver ions are known to inhibit effectively biosynthesis of ethylene — a phytohormone controlling processes of plant stress, aging etc., wherein gold ions do not influence ethylene biosynthesis and signaling. Considered all, metal ion toxicity exceeds considerably a toxicity of nanoparticles. The mechanism of the nanoparticle phytotoxic action is often connected with accumulation of active oxygen species in plant tissues. The use of cell suspension cultures may be a promising approach to study plant-nanoparticles interaction (E. Planchet et al., 2015). The period during which these studies are conducted is still small for elucidating all aspects with regard to biosafety. Contradictory (often conflicting) information on the impact of nanoparticles, in our opinion, is a result of diverse experimental conditions used. It is noted that while being clearly incomplete and contradictory, the obtained data suggest that a coordinated research program is needed that would detect correlations between particle parameters, experimental design, and the observed biological effects.
Keywords: gold nanoparticles, silver nanoparticles, toxicity, biological effects, plants.
ФГБУН Институт биохимии и физиологии растений
и микроорганизмов РАН, |
Поступила в редакцию |
Оформление электронного оттиска
