doi: 10.15389/agrobiology.2017.1.172rus
УДК 633.11:581.1:546.30-022.532
Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 14-36-00023).
МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ У ПШЕНИЦЫ (Triticum
vulgare L.) ПОД ВЛИЯНИЕМ НАНОЧАСТИЦ МЕТАЛЛОВ (Fe, Cu, Ni) И
ИХ ОКСИДОВ (Fe3O4, CuO, NiO)
А.М. КОРОТКОВА1, 2, С.В. ЛЕБЕДЕВ2, Ф.Г. Каюмов2, Е.А. СИЗОВА1, 2
В последние десятилетия развитие нанотехнологий привело к необходимости тщательно исследовать безопасность ультрадисперсных металлов. Известно, что многие из них обладают прооксидантными и токсическими эффектами в отношении различных организмов. В то же время данные по сравнению биологической активности наночастиц металлов и их оксидов на растения отсутствуют. Нами впервые комплексно изучено воздействие сферических наночастиц (НЧ) железа Fe0, магнетита Fe3O4, меди Cu0 и оксида меди CuO, никеля Ni0 и оксида никеля NiO в различных концентрациях на рост, содержание пигментов и перекисное окисление липидов у проростков пшеницы обыкновенной(Triticumvulgarе L.). Семена пшеницы дезинфицировали, промывали и помещали на подложку из фильтровальной бумаги в пластиковые чашки Петри по 20 шт. на расстоянии не менее 0,5-1,5 см друг от друга. На 3-и сут в чашки вносили по 5 мл наночастиц металлов и их оксидов (концентрации по металлу от 0,0125 до 1,0 М). На 5-е сут после прорыва колеоптиля оценивали физиолого-биохимические показатели. У 10 проростков измеряли длину 1-го листа (от основания до апекса главного листа) и главного корня (от корневой шейки до кончика главного корня). По 3 растения из каждого варианта отбирали для определения содержания фотосинтетических пигментов (ФП) и оценки окислительного стресса. Анализ метрических характеристик показал, что чувствительность проростков пшеницы к наночастицам чистых металлов Cu0 и Ni0 была гораздо выше, чем к наночастицам их оксидов (CuO, NiO). В изучаемом диапазоне концентраций наночастицы CuO и NiO не вызывали летального эффекта, несмотря на существенное (более чем в 2 раза) снижение большинства ростовых показателей. В низких концентрациях (менее 0,05 М) наночастицы Fe0 и Fe3O4 достоверно стимулировали рост проростков по сравнению с контролем. Напротив, в присутствии наночастиц Cu0 и CuO, Ni0 и NiO развивался токсический эффект, который усиливался с возрастанием концентрации металла. У корневой системы как первой мишени обнаружена высокая чувствительность к НЧ металлов. Добавление наночастиц Cu0, CuO, Ni0 и NiO подавляло рост корня соответственно в 19,0; 7,4; 4,8 и 2,2 раза. По возрастанию способности ингибировать рост главного корня и 1-го листа наночастицы расположили в следующем порядке: Fe3O4→Fe0→NiO→CuO→Ni0→Cu0. Положительное воздействие НЧ Fe0 и НЧ Fe3O4 на содержание пигментов было в целом сильнее и стабильнее, чем у наноматериалов на основе Сu и Ni. После инкубации с металлами в концентрации менее 0,05 М зеленая окраска проростков не только сохранялась, но даже отмечался стимулирующий эффект. На содержание хлорофилла a наиболее сильное отрицательное влияние оказывали НЧ Cu0 (снижение относительно контроля на 22,0-33,0 %), хлорофилла b — НЧ Ni0 (на 16,0-68,0 %). Эффект от воздействия НЧ CuO на состояние пигментного комплекса был дозозависимым: статистически значимое снижение содержания хлорофилла а отмечали в вариантах 0,054; 0,1 и 0,5 М (на 9,0-21,5 %), хлорофилла b — в вариантах 0,0125 и 0,025 М (на 4,0-15,0 %). НЧ NiО не оказывали существенного угнетающего действия на хлорофиллы (снижение содержания всего на 8,7 %). Каротиноиды в листьях проростков T. vulgare оказались менее чувствительными к наночастицам металлов по сравнению с хлорофиллами. В присутствии наночастиц содержание МДА изменялось в корнях в большей степени, чем в листьях. Влияние некоторых наночастиц, особенно Ni0, Сu0 и CuO, способствовало достоверному повышению количества МДА в корневой части растений — соответственно на 17,0, 25,0 и 18,7 %. Действие наночастиц Fe0, Fe3O4 и NiО практически не приводило к изменению этого показателя, а НЧ Fe3O4 снижали его на 30,0 %. Таким образом, наночастицы металлов и их оксидов избирательно влияют на метаболические реакции и проявляют различную биологическую активность в зависимости от состава металлов и используемой концентрации.
Ключевые слова: Triticum vulgare L., наночастицы металлов, показатели роста, фотосинтетические пигменты, малоновый диальдегид, перекисное окисление липидов.
A.M. Korotkova1, 2, S.V. Lebedev2, F.G. Kayumov2, Е.А. Sizova1, 2
In recent decades, the development of nanotechnology has led to the need for a thorough study of ultrafine metal security. It is known that many of ultrafine metals have pro-oxidant and toxic properties. However, no studies have been performed to comprehensively compare of how the metal and metal oxide nanoparticles (NP) affect plants. We first examined complex morphophysiological parameters in wheat (Triticum vulgare L.) seedlings exposed for 2 days to spherical nanoparticles (NPs) of Fe0 or Fe3O4, Cu0 or CuO, and Ni0 or NiO at 0.0125 to 1.0 M concentrations. Analysis of metric characteristics showed that the sensitivity to Cu0 NP and Ni0 NP was much higher than that to their oxides (CuO, NiO). NiO NP and CuO NP had no lethal effects at all tested concentrations though caused a significant (more than 2-fold) reduction in most of the growth parameters. At low (less than 0.05 M) levels of Fe NP and Fe3O4 NP the seedlings showed a significantly stimulated growth as compared to control. In contrast, the Cu0 NP, CuO NP, Ni0 NP and NiO NP caused toxic effect on growth which increased as the metal level elevated. The analysis showed a high sensitivity of roots, as the first target for the toxic agents, to low metal concentrations. At low Cu0 NP, CuO NP, NiO NP and Ni0 NP levels in the medium, the root growth was 19 times, 7.4 times, 4.8 times and 2.2 times lower as compared to control. Basing on morphological parameters, the nanoparticles were arranged in the following ascending order of their toxicity for growth of the main root and the first leaf in T. vulgare: Fe3O4→Fe0→NiO→CuO→Ni0→Cu0. Analysis of photosynthetic pigments showed that a 2-day exposure to Fe NP and Fe3O4 NP led to generally more positive and stable effects on pigments as compared to copper and nickel. In the presence of less than 0.05 M metal the seedlings were green with a marked stimulation of pigmentation. At the same time, there was the strongest negative effect of the Cu NP on chlorophyll a (22.0-33.0 %), and Ni NP on chlorophyll b (16.0-68.0 %). The influence of CuO toward lower chlorophyll content was dose-dependent: a statistically significant decrease in chlorophyll a was observed at 0.05, 0.1 and 0.5 M (9.0-21.5 %), and in chlorophyll b at 0.0125 and 0025 M (4.0-15.0 %). NiO NP had insignificant inhibitory effect on chlorophylls at 8.7 % decrease. Carotenoids were less sensitive to tested nanoparticles as compared to chlorophylls. Analysis of MDA content in the seedlings showed that nanoparticles influenced lipid peroxidation in the roots rather than in leaves. The effect of MDA accumulation in roots was the most apparent after exposure to some NPs, especially Ni0 NP, Su0 NP and CuO NP which caused MDA increase exceeding control by 17.0 %, 25.0 % and 18.7 %, respectively. The Fe0, Fe3O4 and NiO NPs did not affect the MDA content, whereas Fe3O4 NP reduced the MDA level by 30.0 %. Thus Fe0, Fe3O4, Cu0, CuO, Ni0 and NiO nanoparticles selectively affect cell metabolism and exhibit different biological activity depending on chemical composition and concentrations.
Keywords: Triticum vulgare L., metal nanoparticles, growth rates, photosynthetic pigments, malondialdehyde, lipid peroxidation.
1ФГБОУ ВО Оренбургский государственный университет, Институт биоэлементологии, |
Поступила в редакцию |
Оформление электронного оттиска
