Красноярские ученые установили, что наночастицы ферригидрита способствуют улучшению роста пшеничных культур, выращиваемых в лабораторных условиях. При добавлении ферригидрита в питательную среду, исследователи зафиксировали четырехкратное увеличение скорости роста побегов пшеницы и уменьшение количества погибших клеток. Это открытие может облегчить процесс создания новых сортов пшеницы и других сельскохозяйственных культур. Результаты исследования опубликованы в Аграрном научном журнале.
В современных программах селекции и генной инженерии растений все чаще применяют культивирование растительных клеток в питательной среде, что позволяет получать генетически идентичные клоны или модифицированные линии. Тем не менее, для многих сельскохозяйственных культур, включая пшеницу, процесс регенерации – формирование полноценных побегов из клеток – остается неэффективным. Зачастую клетки либо теряют способность к жизнедеятельности, либо формируют только корни, не образуя побегов. Это создает трудности в разработке новых сортов.
В питательную среду специалисты Красноярского научного центра СО РАН внесли ферргидрит — наночастицы соединения железа — и изучили влияние этого добавления на рост и развитие растительных тканей пшеницы, выращиваемой в лабораторных условиях. Работа проводилась с использованием шести сортов и двенадцати селекционных линий яровой пшеницы.
«В настоящее время наночастицы находят применение в различных сферах сельского хозяйства. Прежде всего, их используют в качестве удобрений – источников легко усваиваемых ионов металлов. Ферргидритные частицы обладают уникальными свойствами, поскольку в первую очередь воздействуют на антиоксидантные системы растений, а не только обеспечивают их дополнительным железом. Ранее было установлено, что они стимулируют развитие корней у саженцев декоративных и плодово-ягодных культур, то есть способствуют формированию новых органов. Исходя из этого, можно было предположить аналогичное воздействие на изолированные растительные ткани», — говорит Валентина Ступко, кандидат сельскохозяйственных наук и ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института сельского хозяйства КНЦ СО РАН.
Наночастицы добавлялись в питательную среду на различных стадиях развития клеточной культуры: на этапе формирования клеточных скоплений из зародышей, в период активного деления клеток, при формировании побегов и корней. Полученные данные свидетельствуют о том, что повторное воздействие наночастиц на разных этапах развития клеточной культуры существенно увеличивает частоту регенерации, повышает выживаемость тканей и активирует синтез хлорофилла. Кроме того, исследователи зафиксировали, что добавление ферригидрита способствовало замедлению процессов старения клеток и стимулировало фотосинтез.
Наилучшие результаты, по данным исследований, были достигнуты при использовании ферригидрита на начальных двух этапах. Скорость регенерации тканей была в четыре раза выше, чем в контрольных образцах. В последних в два раза чаще формировались области с хлорофиллом – предшественниками новых побегов, а количество погибших образцов уменьшилось на 30%. Вместе с тем, непрерывное воздействие наночастиц на протяжении всех трех этапов приводило к противоположному результату: повышению окислительного стресса и гибели клеток.
По мнению исследователей, наночастицы проявляют действие, сходное с фитогормонами, инициируя процессы формирования стеблей. Вероятно, при непродолжительном воздействии ферригидрит активирует антиоксидантную систему и препятствует старению растительных клеток. В небольших дозах наночастицы стимулируют реакции неспецифического иммунитета и активируют защитные механизмы клеток посредством продукции активных форм кислорода, в то время как высокие концентрации могут приводить к окислительному повреждению. Полученные результаты свидетельствуют о том, что кратковременное воздействие наночастиц повышает устойчивость клеток к неблагоприятным факторам, что можно сравнить с их «тренировкой.
«Данное открытие открывает значительные возможности для ускорения разработки новых сортов сельскохозяйственных культур. Примечательно, что наиболее эффективным оказался двукратный контакт тканей с ферригидритом: первоначально на этапе образования каллусов из зародышей, а затем активного их разрастания. За счет этого в тканях наблюдалось снижение отмирания клеток и ускорение формирования полноценных побегов. Полученный эффект может быть применен в более широком спектре задач, например, для использования наночастиц ферригидрита в качестве стимуляторов фотосинтеза при работе над повышением продуктивности сельскохозяйственных культур. Этот препарат способен выступать в роли стимулятора роста. Использование наночастиц ферригидрита может способствовать повышению экологической устойчивости сельскохозяйственных культур, что окажет положительное влияние на продовольственную безопасность. Также стоит отметить, что применяемая форма ферригидрита производится экологически безопасным способом, что делает ее более подходящей для использования в сельском хозяйстве», — рассказала Валентина Ступко, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института сельского хозяйства КНЦ СО РАН.
Результаты исследований дают возможность ускорить выведение новых сортов пшеницы, а разработанная методика может быть применена и к другим сельскохозяйственным культурам, расширяя перспективы использования наночастиц в сельском хозяйстве.
Эти разработки могут послужить фундаментом для создания научно-производственного кампуса, запланированного в регионе. Объединение исследований и сельскохозяйственных предприятий ускорит внедрение передовых технологий в селекцию и растениеводство. Это, в свою очередь, способно увеличить урожайность сельскохозяйственных культур и обеспечить продовольственную безопасность. Материал подготовлен при поддержке гранта Минобрнауки России в рамках Десятилетия науки и технологий.
Материалы, включая фотографии, предоставлены Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»