ПШЕНИЦА СТАНЕТ УСТОЙЧИВЕЕ К ЗАМОРОЗКАМ!

Пшеница является важнейшей сельскохозяйственной культурой. Качество и количество урожая напрямую отражается на экономической безопасности страны. Большая часть пахотных земель в настоящее время расположена в нестабильных сельскохозяйственных регионах. Поэтому, ведущие селекционеры мира изучают физиологические, биохимические и молекулярные механизмы адаптации растений к различным природным условиям.

Пшеница становится устойчивее к холоду, если ее семена обработать наночастицами на основе золота. Это подтвердили эксперименты московских и саратовских ученых, которые получили растения с измененным обменом веществ. У таких злаков вдвое усилен рост и повышена активность гена Wcor15, защищающего от холода.

Наночастицы на основе Au повышают устойчивость пшеницы к низким температурам.

В марте 2024 учеными из института физиологии растений им. К.А. Тимирязева РАН было доказано, что пшеница становится устойчивее к холоду, если ее семена обработать наночастицами на основе золота. У таких злаков вдвое усилен рост и повышена активность гена Wcor15, защищающего от холода.

Также обработка «благородными» наночастицами на 16% увеличила количество сахаров в листьях взрослых растений, что спасло их от обезвоживания и замерзания.

👩‍🔬 Наночастицы синтезировали ученые Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Саратовского научного центра из хлорауриновой кислоты — коммерчески доступного соединения, которое активно используется в медицине. Размер полученных структур составил 20 нанометров — примерно в 700 раз меньше диаметра человеческого волоса. Благодаря такой малой величине наночастицы могли преодолевать оболочки семян и, попадая внутрь клеток, изменять обмен веществ (метаболизм) растений.

Если при температуре 0°С выживаемость всех растений составила 100%, то при -3°С — 60% для контрольных (необработанных наночастицами) растений и до 97% для прошедших обработку проростков. Снижение температуры до -5°С привело к гибели контрольных растений, в то время как выживаемость пшеницы, обработанной наночастицами, составила более 50%. При этом концентрация наночастиц, равная 10 микрограммам на миллилитр, оказалась наиболее эффективной.

Результаты исследования влияния наночастиц на устойчивость пшеницы

В начале исследования было необходимо оценить влияние различных концентраций Au-NPs (5, 10, 20 и 50 мкг мл-1) на устойчивость пшеницы генотипа Zlata к низким температурам. Выживаемость растений пшеницы при 0°C составила 100% во всех вариантах эксперимента. Выживаемость незатвердевших проростков при -3°C увеличилась в два-три раза после воздействия Au-NPs, но только при концентрациях 5 и 10 мкг мл-1. Когда мы снизили температуру до -5 ° C, все растения погибли. Устойчивость к холоду была улучшена за счет низкотемпературного закаливания и составила 60%. Стимулирующее влияние Au-NPS на устойчивость к холодам было четко установлено при -5 ° C. Так, Au-NPS в концентрации 10 мкг мЛ -1 увеличивали устойчивость к холодам с 7% до 67%

Ученые оценили влияние различных концентраций Au-NPs (5, 10, 20 и 50 мкг мл-1) на прорастание семян и рост первого листа проростков пшеницы (рисунок 1). Стимулирующее воздействие Au-NPS на прорастание семян было замечено только при концентрации 20 мкг мЛ -1 (Рисунок 1А). В то же время обработка Au-NPs ускорила рост первого листа проростков во всех тестируемых концентрациях (Рисунок 1Б). При закаливании рост проростков был полностью остановлен (Рисунок 1С).

Рисунок 1. Влияние наночастиц на основе Au (Au-NPS) на всхожесть семян (A) и длину листьев до (B) и после (C) холодного закаливания (4°C, 7 дней в сутки) проростков пшеницы генотипа Zlata. В каждом варианте обработки использовали 30 растений в 3 повторностях. Эксперимент повторили 2 раза. Разными буквами обозначены средние значения, которые значительно отличаются при p <0,05.

На основании результатов концентрационных тестов концентрация Au-NPs в 10 мкг мЛ^-1 была выбрана как оказывающая максимальное влияние на устойчивость к низким температурам незатвердевших и закаленных проростков пшеницы генотипа Zlata.

В результате эксперимента было выявлено, что в контрольных условиях обработка Au-NPs приводила к значительному увеличению общего содержания хлорофилла, не влияя на концентрацию каротиноидов или соотношение пигментов в листьях пшеницы. Также обработка Au-NPs не влияла на количество или соотношение фотосинтетических пигментов в условиях низких температур. Масса сухих листьев увеличивалась в условиях закалки, а обработка Au-NPs ускорила этот процесс.

Обработка Au-NPs в контрольных условиях значительно снизила содержание сахара в листьях пшеницы за счет уменьшения содержания моносахаридов (глюкозы и фруктозы). Содержание сахаров в листьях не менялось в условиях низких температур, тогда как обработка Au-NPs увеличивала их за счет усиленного накопления сахарозы.

Влияние Au-NPS на уровень экспрессии генов пшеницы

Ученые проанализировали влияние Au-NPS на уровень экспрессии генов PSA RBCs и RbCl, кодирующих, соответственно, малую и большую субъединицы RuBisCO. И обнаружили, что уровень экспрессии эритроцитов и RbCl был повышен у растений, обработанных Au-NPs, в контрольных условиях. При низкотемпературном закаливании Au-NPS не оказывали существенного влияния на уровни экспрессии этих генов.

На диаграмме (Рис. 2) отражено влияние наночастиц на основе Au (Au-NPS) на транскрипцию генов RbCl (A,B) и эритроцитов (C,D) неочищенных (A,C) и закаленных (4°C, 7 дней) (B,D) проростков пшеницы генотипа Zlata. В каждом варианте обработки было проведено 3 статистических повторения. Эксперимент повторяли 3 раза. Разными буквами обозначены средние значения, которые достоверно отличаются при p <0,05. Концентрация Au-NPs — 10 мкг мЛ^-1 (как концентрации, оказывающие максимальное влияние на устойчивость к низким температурам).

Тесты на концентрацию Au-NPs показали, что нанопримолачивание пшеницы улучшило ее устойчивость к низким температурам в контрольных условиях и после холодного закаливания (4 ° C, 7 дней). Максимальный эффект был достигнут у генотипа Zlata после обработки семян Au-NPS в концентрации 10 мкг мЛ^-1 .

Мнение эксперта

«Исследование показало, что наночастицы золота изменяют метаболизм растений и активность генов, отвечающих за адаптацию к низкотемпературному стрессу. Обработку ими можно рассматривать как фитонанотехнологию, позволяющую повышать морозостойкость культурных растений и тем самым расширять диапазон широт, подходящих для выращивания сортов, которые не имеют генетической устойчивости к холоду. Мы собираемся продолжить исследование, чтобы лучше понять физиолого-биохимические и молекулярные механизмы влияния наночастиц золота на растительный организм. Возможно, мы будем использовать их в качестве стимуляторов роста и развития, а также адаптогенов, увеличивающих стрессоустойчивость растений при действии неблагоприятных факторов среды», — рассказала руководитель проекта Юлия Венжик, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Института физиологии растений имени К. А. Тимирязева РАН.

👉🏻Читайте полные результаты исследования опубликованные в журнале Plants