Анализ изменения ростовых параметров и архитектуры главного корня Arabidopsis thaliana при воздействии наночастиц оксидов меди и железа

Авторы

  • Мария Игоревна Алексеева Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Анна Олеговна Муравицкая Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Вера Сергеевна Мацкевич Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Вероника Валерьевна Самохина Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Вероника Витальевна Тарима Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Полина Олеговна Мучинская Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Наталья Лёнгиновна Пшибытко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Вадим Викторович Демидчик Институт экспериментальной ботаники им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь

Ключевые слова:

наночастицы оксида меди, наночастицы оксида железа, Arabidopsis thaliana, рост и развитие растений, главный корень растения, наноудобрения
Поддерживающие организации
Работа выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований в рамках проектов Б25КИ-086 и Б24-060-1, а также задания 2.04.5 «Установление закономерностей токсического воздействия металлсодержащих нанополлютантов атмосферы на физиологические процессы у высших растений» государственной программы научных исследований «Природные ресурсы и окружающая среда» на 2021–2025 гг. (№ гос. регистрации 20211705).

Аннотация

Наночастицы, содержащие оксиды меди и железа, все более активно используются в сельском хозяйстве в качестве наноудобрений. Несмотря на это, остается нерешенным вопрос об их токсичности для растительного организма. Для ответа на него необходимо проводить исследования на модельных объектах в стандартизированных ростовых условиях. В настоящей работе представлены результаты экспериментов по влиянию наночастиц оксидов меди (далее – CuO-НЧ) и железа (далее – Fe3O4-НЧ) на ростовые параметры и архитектуру главного корня Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. в вертикальной культуре in vitro. Обработка CuO-НЧ в концентрациях 10 и 30 мг/л и Fe3O4-НЧ в концентрациях 30; 100 и 300 мг/л стимулировала рост главного корня A. thaliana, в то время как нанесение CuO-НЧ в концентрациях свыше 100 мг/л и Fe3O4-НЧ в концентрациях свыше 300 мг/л вызвало ингибирование данного процесса. Обнаружено, что CuO-НЧ имеют более низкую токсичность, чем ионная форма Cu2+ (CuCl2), введенная в среду культивирования в таких же концентрациях, как и названные наночастицы. Обработка изучаемыми наночастицами привела к модификации архитектуры главного корня: диаметр главного корня в зоне зрелого эпидермиса, длина зоны роста растяжением этого органа и его диаметр в зоне деления уменьшились после нанесения CuO-НЧ и увеличились после обработки Fe3O4-НЧ. Сделан вывод о том, что CuO-НЧ и Fe3O4-НЧ, используемые для производства наноудобрений, обладают относительно низкой токсичностью, при этом Fe3O4-НЧ проявляют выраженное корнестимулирующее действие при обработке в широком диапазоне концентраций.

Биографии авторов

  • Мария Игоревна Алексеева, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    аспирантка кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений биологического факультета. Научный руководитель – В. В. Демидчик

  • Анна Олеговна Муравицкая, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    аспирантка кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений биологического факультета. Научный руководитель – В. В. Демидчик

  • Вера Сергеевна Мацкевич, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    старший преподаватель кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений биологического факультета

  • Вероника Валерьевна Самохина, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    старший преподаватель кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений биологического факультета

  • Вероника Витальевна Тарима, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    студентка биологического факультета. Научный руководитель – В. В. Самохина

  • Полина Олеговна Мучинская, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    студентка биологического факультета. Научный руководитель – В. В. Самохина

  • Наталья Лёнгиновна Пшибытко, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    кандидат биологических наук, доцент; заместитель декана по научной работе биологического факультета

  • Вадим Викторович Демидчик, Институт экспериментальной ботаники им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь

    доктор биологических наук, член-корреспондент НАН Беларуси, профессор; главный научный сотрудник лаборатории роста и развития растений

Библиографические ссылки

  1. Zhang P, Ma Y, Zhang Z. Interactions between engineered nanomaterials and plants phytotoxicity uptake translocation, and biotransformation. In: Siddiqui MH, Al-Whaibi MH, Mohammad F, editors. Nanotechnology and plant sciences: nanoparticles and their impact on plants. Berlin: Springer; 2015. p. 77–99. DOI: 10.1007/978-3-319-14502-0_5.
  2. Wang P, Lombi E, Zhao F, Kopittke PM. Nanotechnology: a new opportunity in plant sciences. Trends in Plant Science. 2016;21(8):699–712. DOI: 10.1016/j.tplants.2016.04.005.
  3. Thiruvengadam M, Chi HY, Kim S-H. Impact of nanopollution on plant growth, photosynthesis, toxicity, and metabolism in the agricultural sector: an updated review. Plant Physiology and Biochemistry. 2024;207:108370. DOI: 10.1016/j.plaphy.2024.108370.
  4. Khan MU, Ullah H, Honey Sh, Talib Z, Abbas M, Umar A, et al. Metal nanoparticles: synthesis approach, types and applications – a mini review. Nano-Horizons. 2023;2:1–21. DOI: 10.25159/NanoHorizons.87a973477e35.
  5. Duman H, Eker F, Akdaşçi E, Witkowska AM, Bechelany M, Karav S. Silver nanoparticles: a comprehensive review of synthesis methods and chemical and physical properties. Nanomaterials. 2024;14(18):1527. DOI: 10.3390/nano14181527.
  6. Peters R, Brandhoff P, Weigel S, Marvin HJP, Bouwmeester H, Aschberger K, et al. Inventory of nanotechnology applications in the agricultural, feed and food sector. EFSA Supporting Publications. 2014;11(7):621E. DOI: 10.2903/sp.efsa.2014.EN-621.
  7. Toksha BG, Sonawale VAM, Vanarase A, Bornare DT, Tonde Sh, Hazra Ch, et al. Nanofertilizers: a review on synthesis and impact of their use on crop yield and environment. Environmental Technology & Innovation. 2021;24:101986. DOI: 10.1016/j.eti. 2021.101986.
  8. Grillo R, Mattos BD, Antunes DR, Forini MML, Monikh FA, Rojas OJ. Foliage adhesion and interactions with particulate delivery systems for plant nanobionics and intelligent agriculture. Nano Today. 2024;37:101078. DOI: 10.1016/j.nantod.2021.101078.
  9. Kah M, Tufenkji N, White JC. Nano-enabled strategies to enhance crop nutrition and protection. Nature Nanotechnology. 2019;14(6):532–540. DOI: 10.1038/s41565-019-0439-5.
  10. Vega-Vásquez P, Mosier NS, Irudayaraj J. Nanoscale drug delivery systems: from medicine to agriculture. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020;8:79. DOI: 10.3389/fbioe.2020.00079.
  11. Servin A, Elmer W, Mukherjee A, de la Torre-Roche R, Hamdi H, White JC, et al. A review of the use of engineered nanomaterials to suppress plant disease and enhance crop yield. Journal of Nanoparticle Research. 2015;17(2):92. DOI: 10.1007/s11051-015-2907-7.
  12. Rastogi A, Zivcak M, Sytar O, Kalaji HM, He X, Mbarki S, et al. Impact of metal and metal oxide nanoparticles on plant: a critical review. Frontiers in Chemistry. 2017;5:10.3389. DOI: 10.3389/fchem.2017.00078.
  13. Francis DV, Abdalla AK, Mahakham W, Sarmah AK, Ahmed ZFR. Interaction of plants and metal nanoparticles: exploring its molecular mechanisms for sustainable agriculture and crop improvement. Environment International. 2024;190(2):108859. DOI: 10.1016/j.envint.2024.108859.
  14. Sosan A, Svistunenko D, Straltsova D, Tsiurkina K, Smolich I, Lawson T, et al. Engineered silver nanoparticles are sensed at the plasma membrane and dramatically modify the physiology of Arabidopsis thaliana plants. Plant Journal. 2016;85(2):245–257. DOI: 10.1111/tpj.13105.
  15. Javaid A, Munir N, Abideen Z, Duarte B, Siddiqui ZSh, Haq R, et al. The potential effects of nanoparticles in gene regulation and expression in mammalian, bacterial and plant cells – a comprehensive review. Plant Nano Biology. 2025;11:100145. DOI: 10.1016/j.plana.2025.100145.
  16. Zanella D, Bossi E, Gornati R, Faria N, Powell J, Bernardini G. The direct permeation of nanoparticles through the plasma membrane transiently modifies its properties. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) – Biomembranes. 2019;1861(10):182997. DOI: 10.1016/j.bbamem.2019.05.019.
  17. Nair PMG, Chung IM. Impact of copper oxide nanoparticles exposure on Arabidopsis thaliana growth, root system development, root lignification, and molecular level changes. Environmental Science and Pollution Research. 2014;21(22):12709–12722. DOI: 10.1007/s11356-014-3210-3.
  18. Nair PMG, Chung IM. Evaluation of stress effects of copper oxide nanoparticles in Brassica napus L. seedlings. 3 Biotech. 2017;7(5):293. DOI: 10.1007/s13205-017-0929-9.
  19. Wang X, Xie H, Wang P, Yin H. Nanoparticles in plants: uptake, transport and physiological activity in leaf and root. Materials. 2023;16(8):3097. DOI: 10.3390/ma16083097.
  20. Naz S, Gul A, Zia M. Toxicity of copper oxide nanoparticles: a review study. IET Nanobiotechnology. 2020;14(1):1–13. DOI: 10.1049/iet-nbt.2019.0176.
  21. Chung IM, Venkidasamy B, Thiruvengadam M. Nickel oxide nanoparticles cause substantial physiological, phytochemical, and molecular-level changes in Chinese cabbage seedlings. Plant Physiology and Biochemistry. 2019;139:92–101. DOI: 10.1016/j.plaphy.2019.03.010.
  22. Ali Sh, Mehmood A, Khan N. Uptake, translocation, and consequences of nanomaterials on plant growth and stress adaptation. Journal of Nanomaterials. 2021;1:1–17. DOI: 10.1155/2021/6677616.
  23. Демидчик ВВ, Соколик АИ, Юрин ВМ. Токсичность избытка меди и толерантность к нему растений. Успехи современной биологии. 2001;121(5):511–525. EDN: YXZQIH.
  24. Lequeux H, Hermans Ch, Lutts S, Verbruggen N. Response to copper excess in Arabidopsis thaliana: impact on the root system architecture, hormone distribution, lignin accumulation and mineral profile. Plant Physiology and Biochemistry. 2010;48(8):673–682. DOI: 10.1016/j.plaphy.2010.05.005.
  25. Xu E, Liu Y, Gu D, Zhan X, Li J, Zhou K, et al. Molecular mechanisms of plant responses to copper: from deficiency to excess. International Journal of Molecular Sciences. 2024;25(13):6993. DOI: 10.3390/ijms25136993.
  26. Кирисюк ЮВ, Демидчик ВВ. Влияние наночастиц меди на рост каллусной культуры, полученной из незрелых зародышей Triticum aestivum L. Журнал Белорусского государственного университета. Биология. 2017;1:23–30.
  27. Feigl G. The impact of copper oxide nanoparticles on plant growth: a comprehensive review. Journal of Plant Interactions. 2023;18(1):2243098. DOI: 10.1080/17429145.2023.2243098.
  28. Festa RA, Thiele DJ. Copper: an essential metal in biology. Current Biology. 2011;21(21):R877 – R883. DOI: 10.1016/j.cub.2011.09.040.
  29. Kopittke PM, Dart PJ, Menzies NW. Toxic effects of low concentrations of Cu on nodulation of cowpea (Vigna unguiculata). Environmental Pollution. 2007;145(1):309–315. DOI: 10.1016/j.envpol.2006.03.007.
  30. Shaw AK, Ghosh S, Kalaji HM, Bosa K, Brestic M, Zivcak M, et al. Nano-CuO stress induced modulation of antioxidative defense and photosynthetic performance of Syrian barley (Hordeum vulgare L.). Environmental and Experimental Botany. 2014;102:37–47. DOI: 10.1016/j.envexpbot.2014.02.016.
  31. Song G, Hou W, Gao Y, Wang Y, Lin L, Zhang Z, et al. Effects of CuO nanoparticles on Lemna minor. Botanical Studies. 2016;57:3. DOI: 10.1186/s40529-016-0118-x.
  32. Rui M, Ma Ch, Hao Y, Guo J, Rui Y, Tang X, et al. Iron oxide nanoparticles as a potential iron fertilizer for peanut (Arachis hypogaea). Section Plant Nutrition. 2016;7:815. DOI: 10.3389/fpls.2016.00815.
  33. Feng Y, Kreslavski VD, Shmarev AN, Ivanov AA, Zharmukhamedov SK, Kosobryukhov A, et al. Effects of iron oxide nanoparticles (Fe3O4) on growth, photosynthesis, antioxidant activity and distribution of mineral elements in wheat (Triticum aestivum) plants. Plants. 2022;11(14):1894. DOI: 10.3390/plants11141894.
  34. Zia-ur-Rehman M, Naeem A, Khalid H, Rizwan M, Ali S, Azhar M. Responses of plants to iron oxide nanoparticles. Nanomaterials in Plants, Algae, and Microorganisms. 2018;1:221–238. DOI: 10.1016/B978-0-12-811487-2.00010-4.
  35. Marschner H. Mineral nutrition of higher plants. London: Academic Press; 1995. XV, 889 p.
  36. Bergmann W, editor. Nutritional disorders of plants: development, visual and analytical diagnosis. Jena: Gustav Fischer; 1992. 788 p.
  37. Kim J-H, Lee Y, Kim E-J, Gu S, Sohn E, Seo YS, et al. Exposure of iron nanoparticles to Arabidopsis thaliana enhances root elongation by triggering cell wall loosening. Environmental Science & Technology. 2014;48(6):3477–3485. DOI: 10.1021/es4043462.
  38. Bombin S, LeFebvre M, Sherwood J, Xu Y, Bao Y, Ramonell KM. Developmental and reproductive effects of iron oxide nanoparticles in Arabidopsis thaliana. International Journal of Molecular Sciences. 2015;16(10):24174–24193. DOI: 10.3390/ijms161024174.

Загрузки

Опубликован

2025-11-04

Выпуск

№ 2 (2025): Экспериментальная биология и биотехнология

Раздел

Физиология и клеточная биология

Лицензия

Copyright (c) 2025 Экспериментальная биология и биотехнология

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).

Как цитировать

Алексеева, М. И., Муравицкая, А. О., Мацкевич, В. С., Самохина, В. В., Тарима, В. В., Мучинская, П. О., Пшибытко, Н. Л., & Демидчик, В. В. (2025). Анализ изменения ростовых параметров и архитектуры главного корня Arabidopsis thaliana при воздействии наночастиц оксидов меди и железа. Экспериментальная биология и биотехнология, 2, 25-35. https://doi.org/10.33581/2957-5060-2025-2-%p