doi: 10.15389/agrobiology.2018.3.578rus
УДК 633.11:581.1:57.044:546.74:541.18
Результаты были получены в рамках выполнения государственного задания Минобрнауки России, проект № 37.7810.2017/8.9.
МОРФОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОРОСТКОВ
ПШЕНИЦЫ (Triticum aestivum L.) ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НАНОЧАСТИЦ
НИКЕЛЯ
А.П. ЗОТИКОВА, Т.П. АСТАФУРОВА, А.А. БУРЕНИНА, С.А. СУЧКОВА, Ю.Н. МОРГАЛЕВ
Интенсивное развитие нанотехнологий обусловливает актуальность исследований по выявлению закономерностей воздействия техногенных наноматериалов на биообъекты. Степень проявления токсичности наносоединений при их воздействии на растения зависит от физических свойств наночастиц (размерность, форма, каталитическая активность, концентрация). При этом мало изучены их взаимодействие с растительной клеткой и концентрационная зависимость эффектов для наночастиц разной химической природы и различных биообъектов. Цель настоящей работы состояла в комплексном изучении воздействия наночастиц никеля (НЧ Ni0) размером Δ50 = 5 нм в разной концентрации на рост, содержание пигментов, флавоноидов и пролина, интенсивность фотосинтеза и транспирации у проростков пшеницы (Triticum aestivum L.). Откалиброванные семена мягкой яровой пшеницы сорта Новосибирская 29 предварительно проращивали в течение 2-3 сут (до появления корешков) в чашках Петри на фильтровальной бумаге, пропитанной суспензиями наночастиц Ni0 в концентрациях 0,01; 0,1; 1 и 10 мг/л. В контрольном варианте семена проращивали на дистиллированной воде. Затем проростки перемещали в вегетационные сосуды объемом 500 мл для выращивания в водных дисперсных системах НЧ Ni0 в указанных концентрациях в климатической камере до 10-суточного возраста. Морфометрические параметры оценивали по длине проростков и корневой системы, массе корневой и надземной частей растений. Для определения содержания фотосинтетических пигментов, флавоноидов и пролина формировали среднюю пробу из листьев 10 растений. Исследуемые параметры проростков зависели от дозы наночастиц никеля в дисперсионной среде. НЧ Ni0 в низких концентрациях (0,01 и 0,1 мг/л) не изменяли или стимулировали ростовые процессы, в более высоких дозах (1 и 10 мг/л) — значительно угнетали рост корней и надземной части. Длина корня при концентрации НЧ Ni0 1 мг/л уменьшалась в 2 раза, при концентрации 10 мг/л — в 3 раза, сырая масса — соответственно в 1,9 и 2,7 раза, длина проростков — в 1,3 и 1,9 раза. Содержание хлорофиллов а и b достоверно уменьшалось только при концентрации 10 мг/л, количество каротиноидов при возрастании концентрации НЧ Ni0 постепенно снижалось. Исследование фотосинтеза и транспирации также выявило эффект дозы: НЧ Ni0 в концентрации 0,01 и 0,1 мг/л достоверно повышали интенсивность фотосинтеза и транспирации, 1 мг/л — не изменяли интенсивность этих процессов, 10 мг/л — снижали показатели. Сумма флавоноидов с повышением концентрации НЧ Ni0 уменьшалась, однако дозовой зависимости не наблюдалось. В то же время воздействие НЧ Ni0 на проростки пшеницы привело к повышению содержания пролина, наблюдалась четкая зависимость этого показателя от концентрации наночастиц. Масс-спектрометрические исследования выявили значительное накопление наночастиц в органах растений, особенно в корневой системе: в опытном варианте содержание никеля составляло 50,89±1,67 мкг/г сухой массы, в контроле — 3,8±0,15 мкг/г сухой массы. В надземной части содержание никеля было на порядок ниже: в опыте — 14,20±2,38, в контроле — 0,87±0,025 мкг/г сухой массы. Таким образом, проведенные исследования выявили морфофизиологические особенности проростков пшеницы при их выращивании на водных дисперсных системах НЧ Ni0 размером 5 нм, при этом для большинства показателей наблюдалась зависимость исследованных процессов от концентрации наночастиц.
Ключевые слова: Triticum aestivum L., наночастицы никеля, накопление наночастиц, фотосинтетические пигменты, фотосинтез, транспирация, флавоноиды, пролин.
A.P. Zotikova, T.P. Astafurova, A.А. Burenina, S.А. Suchkova,
Yu.N. Morgalev
The intensive development of nanotechnologies determines the need for the investigation on the patterns of biological impact of technogenic nanomaterials. The analysis of the researches reveals a wide range of toxicity manifestations when nanocompounds affect plants, which depends on the physical properties of the nanoparticles (dimensions, shape, catalytic activity, concentration). The relevance of the studies on the concentration effects of nanoparticles is due to the insufficient knowledge of their interaction with the plant cell, and, consequently, the need to determine the dose-effect relationship for each class of nanoparticles and various bio-objects. This paper presents the results of a comprehensive study of the effect of nickel nanoparticles (NP Ni0, Δ50 = 5 nm in size) when used at different concentrations on growth, content of pigments, flavonoids and proline, photosynthesis and transpiration intensity of ten-day-aged wheat seedlings (Triticum aestivum L.). The calibrated seeds were pre-germinated for 2-3 days, up to the appearance of rootlets, in Petri dishes on filter paper impregnated with aquatic disperse systems of NP Ni0 in concentrations of 0.01, 0.1, 1 and 10 mg/l. In the control, the seeds were germinated on distilled water. The germinated seeds were put into 500-millilitre vegetative pots for further growing in the aquatic dispersed NP Ni0 systems of the above mentioned concentrations in the climate box until the 10-day age. Morphometric parameters assessed were the root length, the seedling height, the weight of the root and aboveground parts of the plants. To determine the content of photosynthetic pigments, flavonoids and proline, an average sample was collected from the leaves of 10 plants. The morphometric parameters under study depended on the doses of nickel nanoparticles in a disperse medium. NP Ni0 at low concentrations (0.01 and 0.1 mg/l) did not change or stimulated growth, whereas at larger doses (1 and 10 mg/l) they suppressed the growth of roots and aboveground part of seedlings considerably. The root length decreased 2 times at 1 mg/l NP Ni0 and 3 times at 10 mg/l NP Ni0, the wet weight was 1.9 and 2.7 times lower, respectively, and the height declined 1.3 and 1.9 times. The content of chlorophyll а and b at 0.01 mg/l NP Ni0 slightly increased and then decreased as the nanoparticle concentration increased, but no clear dose dependence was revealed. The amount of carotenoids gradually decreased with increasing NP Ni0 concentration. The study of photosynthesis and transpiration showed a dose correlation of these indicators. NP Ni0 at low concentrations (0.01 and 0.1 mg/l) increased the intensity of photosynthesis and transpiration significantly, at the concentration of 1 mg/l did not affect these processes, and at 10 mg/l concentration insignificantly suppressed these parameters. The amount of flavonoids decreased with increasing NP Ni0 concentration; however, dose dependence was not observed. The lowest level of flavonoids, with a 75 % decrease, was at 0.1 mg/l NP Ni0, and at 10 mg/l NP Ni0 the amount of flavonoids decreased by 64 % as compared to the control. At the same time, the impact of nickel nanoparticles on wheat caused a rise in the level of proline from 22 to 130 %, with clear dose dependence on the nanoparticle concentration. Mass spectrometric studies revealed a significant accumulation of nanoparticles in plant organs, especially in the root system. In the roots of the experimental plants the nickel concentration was 50.89±1.67 μg/g per dry weight, in the control plants this reached 3.8±0.15 μg/g. In the above-ground parts of plants the nickel concentration was an order of magnitude lower, 14.20±2.38 mg/g per dry weight for the test plants and 0.87±0.025 mg/g per dry weight for the control plants. Thus, our findings revealed the morphophysiological peculiarities of wheat seedlings grown on water dispersed systems of NP Ni0 of 5 nm in size and showed a dependence of the majority of the studied parameters on NP Ni0 concentration.
Keywords: Triticum aestivum L., nickel nanoparticles, accumulation, photosynthetic pigments, photosynthesis, transpiration, flavonoids, proline.
ФГАОУ ВО Национальный исследовательский |
Поступила в редакцию |
