Абиотический стресс возникает из-за высокой солености, засухи, экстремальных температур, недостатка минералов, наличия тяжелых металлов и воздействия ультрафиолетовых лучей. Эти условия запускают цепочку молекулярных, физиологических, морфологических и биохимических изменений в растении, отрицательно влияющих на его рост и продуктивность. Нанотехнология может смягчить последствия неблагоприятных условий

Подробнее об этом рассказывает Прием Бозе, доктор биологии и биотехнологии растений из Индии в своей статье на портале www.azonano.com.

«Растения, являющиеся неподвижным организмом, сталкиваются с абиотическими стрессами на протяжении всего жизненного цикла. В ответ на стрессы окружающей среды растения развивают защитные системы на различных уровнях, изменяя их биохимические, морфологические, молекулярные (изменение экспрессии генов) и физиологические пути.

Однако этого недостаточно для того, чтобы свести на нет все негативные воздействия.

Например, засоленность снижает осмотический потенциал почвы, что вызывает постоянные проблемы с питанием растений. Усиление ионной токсичности отрицательно влияет на различные жизненно важные биохимические и физиологические процессы, такие как фотосинтез, синтез белка и метаболизм липидов.

Продовольственная безопасность в настоящее время находится в сложной ситуации из-за растущего населения мира. Поэтому первостепенной задачей ученых является поиск ответа на вопрос: как ускорить процесс адаптации растений к изменениям окружающей среды.

Вот некоторые из способов адаптации растений к различным абиотическим стрессам:

  • Активация ферментативной системы растений
  • Гормональная регуляция
  • Экспрессия генов стресса
  • Регулирование поглощения токсичных металлов
  • Предотвращение дефицита воды или внезапных паводков за счет сокращения жизненного цикла растений.

Усовершенствования в разработке наноматериалов дают надежду, что удастся получить хороший результаты.

Например, стресс от засоления снижает урожайность примерно на 23%. Предыдущие исследования по применению нано-диоксида кремния (SiO 2) на растениях томатов и тыквы-сквоша дали несколько положительных эффектов: повышенную скорость прорастания семян, более высокую массу растений (сухую и свежую), общее содержание хлорофилла и накопление пролина.

В аналогичных стрессовых условиях при распылении на листья наночастиц сульфата железа (FeSO 4) обнаружены увеличенная площадь листа, лучшая скорость ассимиляции диоксида углерода, большее общее содержание хлорофилла, сухой вес и улучшенная фотохимическая эффективность фотосистемы.

Засуха является наиболее частым абиотическим стрессом, который значительно снижает урожайность в засушливых регионах. Применение наночастиц кремнезема повысило устойчивость растений к засухе, показало положительное влияние на относительное содержание воды, параметры фотосинтеза, утечку мембранного электролита и общее содержание хлорофилла, углеводов, пролина и каротиноидов.

Исследователи полагают, что выращивание сельскохозяйственных культур с более коротким жизненным циклом может быть очень эффективным при риске засухи или наводнений. То есть в тех регионах, где ранняя зрелость сельскохозяйственных культур является важным фактором для устойчивого производства. Исследования показали, что жизненный цикл урожая пшеницы с применением нано-удобрений был значительно короче по сравнению с обычным урожаем пшеницы с внесением удобрений, т.е. 130 дней по сравнению с 170 днями от даты посева.

Наноматериалы также эффективно обезвреживают вредные загрязнители, такие как тяжелые металлы. Листовое применение наночастиц кремнезема значительно повышает устойчивость растений риса к кадмию, свинцу, цинку и меди, регулируя его накопление.

Несмотря на то, что было проведено много исследований по применению наноматериалов для роста растений в условиях стресса, основные механизмы до сих пор в основном неизвестны. Тем не менее, ученые считают, что влияние наноматериалов на рост сельскохозяйственных культур в неблагоприятных условиях окружающей среды отчасти связано с повышенной ферментативной активностью.

Наночастицы участвуют в регуляции активности антиоксидантных ферментов, таких как супероксиддисмутаза (SOD), каталаза (CAT) и пероксидаза (POD).

Применение наночастиц оксида титана (TiO 2) на проростках лука показало увеличение активности SOD. При этом, подчеркнута важность количества используемых наночастиц, то есть увеличение всхожести семян происходит при низкой концентрации наночастиц TiO 2 в луке, тогда как при более высоких уровнях прорастание семян ингибируется.

Активность фермента выше при более низких концентрациях TiO 2.

Наноматериалы (нано-SiO 2 и нано-ZnO) увеличивают накопление свободного пролина и аминокислот. Они также могут увеличить поглощение питательных веществ и воды. Применение этих наночастиц дополнительно увеличивает активность антиоксидантных ферментов, таких как SOD, CAT, POD и нитратредуктаза, которые в конечном итоге развивают устойчивость растений к абиотическому стрессу.

Наноматериалы способны регулировать экспрессию генов стресса, например, наночастицы серебра могут контролировать экспрессию нескольких генов, ответственных за стресс, у резуховидки Таля.

Реакция растений на нано-удобрения варьируется в зависимости от вида растений, стадий роста и природы используемых наноматериалов. Следовательно, важно лучше понимать взаимодействие наночастиц с растением, чтобы получить желаемый результат».

(Источник: www.azonano.com. Автор: Прием Бозе, доктор биологии и биотехнологии растений, Индия).