Итоги исследования были опубликованы в Аграрном научном журнале.
В современной селекции и генной инженерии растений активно применяется метод выращивания растений из клеток в пробирке на питательной среде. Этот подход позволяет получать генетически идентичные клоны или модифицированные линии растений. Однако для многих сельскохозяйственных культур, включая пшеницу, процесс регенерации — преобразование клеток в полноценные побеги — остается недостаточно эффективным. Часто клетки теряют свою жизнеспособность или формируют только корни, не развивая побеги. Это создает сложности в создании новых сортов.
Сотрудники ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» внесли в питательную среду наночастицы железосодержащего соединения — ферргидрита, и изучили их влияние на рост и развитие растительных тканей пшеницы, культивируемых в пробирке. Исследование охватило шесть сортов и двенадцать селекционных линий яровой пшеницы.
“Наночастицы сейчас пробуют использовать во многих областях сельского хозяйства. В основном это фертилайзеры, удобрения — источники легкодоступных ионов металлов. Частицы ферргидрита являются уникальными в этом плане. Они в основном воздействуют на антиоксидантные системы, а не просто снабжают растение дополнительным железом, и ранее показали себя как стимуляторы корнеобразования у саженцев декоративных и плодово-ягодных культур, то есть стимулировали образование органов. Логично было предполагать такое же их воздействие и на изолированные ткани растений»”, — отмечает ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института сельского хозяйства и экологии Арктики ФИЦ КНЦ СО РАН кандидат сельскохозяйственных наук Валентина Ступко.
Исследователи вводили наночастицы в питательную среду на различных стадиях развития клеточной культуры: при образовании клеточных скоплений из зародышей, активном размножении клеток, а также в процессе формирования побегов и корней. Полученные результаты продемонстрировали, что двукратное воздействие наночастиц на этих этапах значительно увеличивает частоту регенерации, улучшает жизнеспособность тканей и активизирует синтез хлорофилла. Ученые также отметили, что добавление ферригидрита замедляет процессы старения клеток и стимулирует фотосинтез.
Исследователи отметили особенно высокую эффективность воздействия ферригидрита на первых двух этапах. Регенерация клеточных тканей происходила в четыре раза быстрее по сравнению с контрольными образцами. В этих образцах зоны, содержащие хлорофилл — предшественники побегов, формировались вдвое чаще, а доля погибших образцов сократилась на 30 %. Однако постоянное присутствие наночастиц на всех трех этапах привело к противоположному эффекту — увеличению окислительного стресса и гибели клеток.
Исследования показывают, что наночастицы могут действовать подобно фитогормонам, инициируя процесс формирования стеблей. При кратковременном контакте ферригидрит, вероятно, служит активатором антиоксидантной системы, замедляя старение клеток растений. Наночастицы в небольших дозах активируют реакции неспецифического иммунитета и усиливают защитные механизмы клеток через выработку активных форм кислорода, в то время как при высоких концентрациях они могут вызывать окислительное повреждение. Исследования свидетельствуют о том, что кратковременное воздействие наночастиц тренирует клетки, повышая их устойчивость к стрессовым условиям.
Как пояснила Валентина Ступко, это открытие обладает значительным потенциалом для ускорения селекции новых сортов сельскохозяйственных культур. Интересно, что наилучшие результаты были достигнуты при двукратном взаимодействии тканей с ферригидритом: сначала на стадии формирования каллусов из зародышей, а затем во время их активного роста. В итоге ткани реже отмирали и быстрее превращались в полноценные побеги. Обнаруженный эффект может быть применен более широко, включая использование наночастиц ферригидрита как активаторов фотосинтеза в исследованиях по повышению продуктивности сельскохозяйственных культур. Этот агент может служить стимулятором роста. Наночастицы ферригидрита способны повысить экологическую устойчивость сельскохозяйственных культур, что окажет положительное влияние на продовольственную безопасность. Кроме того, форма ферригидрита, используемая в исследованиях, производится экологически чистым способом, что делает его более подходящим для сельского хозяйства, отметила ученый.
Полученные результаты способствуют ускорению разработки новых сортов пшеницы, а предложенный метод может быть адаптирован для других сельскохозяйственных культур, открывая новые возможности для применения наночастиц в агрономии.
Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Источник: ФИЦ КНЦ СО РАН.
Источник: Российская академия наук.
