Регуляция катионных токов через плазматическую мембрану клеток корня высших растений под действием наночастиц оксидов меди, железа и титана

Авторы

  • Полина Вацлавовна Гриусевич Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Вероника Евгеньевна Артишевская Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Маргарита Алексеевна Мыслейко Институт экспериментальной ботаники им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь
  • Анатолий Иосифович Соколик Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Наталья Лёнгиновна Пшибытко Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь
  • Игорь Иванович Смолич 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:

пэтч-кламп, Arabidopsis thaliana (L.) Heynh., калиевые каналы, кальциевые каналы, наночастицы оксидов металлов, наноудобрения
Поддерживающие организации
Работа выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований в рамках проекта Б25КИ-086, 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

Разработка и использование экологически безопасных и высокоэффективных форм удобрений на основе наночастиц являются важными задачами современной экспериментальной биологии растений. В данной области одним из актуальных вопросов выступает оценка влияния металлсодержащих наночастиц, таких как оксиды меди, железа и титана, на функционирование мембранных систем ионного транспорта в корнях высших растений. В рамках настоящей работы с использованием техники локальной фиксации потенциала (пэтч-кламп) исследовано воздействие наночастиц CuO, Fe3O4 и TiO2 на функционирование наружувыпрямляющих K+-каналов и внутрьвыпрямляющих Са2+-каналов плазматической мембраны клеток корня Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Продемонстрировано, что наночастицы CuO и TiO2 в концентрации 300 мг/л ингибируют наружунаправленные K+-токи и внутрьнаправленные Са2+-токи через плазматическую мембрану при воздействии в течение 15 мин. При увеличении времени влияния наночастиц CuO до 30 мин зарегистрирована активация K+- и Са2+-токов, что, вероятно, было связано с редокс-зависимой стимуляцией соответствующих групп катионных каналов. Наночастицы Fe3O4 не вызывали изменений в картине ионных токов через плазматическую мембрану клеток корня. Также эффекты отсутствовали при применении вместо наночастиц соответствующих макрочастиц (балк-форма; более 1 мкм). Наночастицы Fe3O4, как не обладающие мембранотропными эффектами, протестированы в качестве стимуляторов роста в особых культивационных системах малого объема. Показано, что данные наночастицы, начиная с их концентрации в твердой среде свыше 300 мг/л, стимулировали рост растений A. thaliana. Этот факт указывает на значительный потенциал их использования в качестве наноудобрений. Полученные данные раскрывают новые закономерности воздействия перспективных наноматериалов на ионтранспортные механизмы мембран клеток корня высших растений, демонстрируя комплексные мембранотропные эффекты от наночастиц CuO и TiO2, а также относительную инертность по отношению к клеточным мембранам наночастиц Fe3O4.

Биографии авторов

  • Полина Вацлавовна Гриусевич, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    кандидат биологических наук; доцент кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений биологического факультета

  • Вероника Евгеньевна Артишевская, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

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

  • Маргарита Алексеевна Мыслейко, Институт экспериментальной ботаники им. В. Ф. Купревича НАН Беларуси, ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск, Беларусь

    специалист лаборатории иммунитета и биотехнологии растений

  • Анатолий Иосифович Соколик, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    кандидат биологических наук, доцент; доцент кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений биологического факультета

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

    кандидат биологических наук, доцент; ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории клеточной и системной биологии кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений биологического факультета

  • Игорь Иванович Смолич, Белорусский государственный университет, пр. Независимости, 4, 220030, г. Минск, Беларусь

    кандидат биологических наук, доцент; ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории клеточной и системной биологии кафедры клеточной биологии и биоинженерии растений 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. Marschner H. Mineral nutrition of higher plants. London: Academic Press; 2012. 651 p.
  2. Nongbet A, Mishra AK, Mohanta YK, Mahanta S, Ray MK, Khan M, et al. Nanofertilizers: a smart and sustainable attribute to modern agriculture. Plants. 2022;11(19):2587. DOI: 10.3390/plants11192587.
  3. 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.
  4. el-Zohri M, al-Wadaani NA, Bafeel SO. Foliar sprayed green zinc oxide nanoparticles mitigate drought-induced oxidative stress in tomato. Plants. 2021;10(11):2400. DOI: 10.3390/plants10112400.
  5. Semida WM, Abdelkhalik A, Mohamed GF, Abd El-Mageed TA, Abd El-Mageed SA, Rady MM, et al. Foliar application of zinc oxide nanoparticles promotes drought stress tolerance in eggplant (Solanum melongena L.). Plants. 2021;10(2):421. DOI: 10.3390/plants10020421.
  6. Wang Q, Ebbs SD, Chen Y, Ma X. Trans-generational impact of cerium oxide nanoparticles on tomato plants. Metallomics. 2013;5:753–759. DOI: 10.1039/c3mt00033h.
  7. Margenot AJ, Rippner DA, Dumlao MR, Nezami S, Green PG, Parikh SJ, et al. Copper oxide nanoparticle effects on root growth and hydraulic conductivity of two vegetable crops. Plant Soil. 2018;431:333–345. DOI: 10.1007/s11104-018-3741-3.
  8. Asli S, Neumann PM. Colloidal suspensions of clay or titanium dioxide nanoparticles can inhibit leaf growth and transpiration via physical effects on root water transport. Plant, Cell & Environment. 2009;32(5):577–584. DOI: 10.1111/j.1365-3040.2009.01952.x.
  9. 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.
  10. Demidchik V. Characterisation of root plasma membrane Ca2+-permeable cation channels: techniques and basic concepts. In: Volkov AG. Plant electrophysiology. Berlin: Springer-Verlag; 2012. p. 339–369.
  11. Ebrahiminezhad A, Zare-Hoseinabadi A, Berenjian A, Ghasemi Y. Green synthesis and characterization of zero-valent iron nanoparticles using stinging nettle (Urtica dioica) leaf extract. Green Processing and Synthesis. 2017;6(5):469–475. DOI: 10.1515/gps-2016-0133.
  12. Palchoudhury S, Jungjohann KL, Weerasena L, Arabshahi A, Gharge U, Albattah A, et al. Enhanced legume root growth with pre-soaking in α-Fe2O3 nanoparticle fertilizer. RSC Advances. 2018;8(43):24075–24083. DOI: 10.1039/c8ra04680h.
  13. Srivastava G, Das CK, Das A, Singh SK, Roy M, Kim H, et al. Seed treatment with iron pyrite (FeS2) nanoparticles increases the production of spinach. RSC Advances. 2014;4:58495–58504. DOI: 10.1039/C4RA06861K.
  14. Li J, Chang PR, Huang J, Wang Y, Yuan H, Ren H. Physiological effects of magnetic iron oxide nanoparticles towards watermelon. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2013;13(8):5561–5567. DOI: 10.1166/jnn.2013.7533.
  15. Maswada HF, Djanaguiraman M, Prasad PVV. Seed treatment with nano-iron(III) oxide enhances germination, seeding growth and salinity tolerance of sorghum. Journal of Agronomy and Crop Science. 2018;204(6):577–587. DOI: 10.1111/jac.12280.
  16. al-Amri N, Tombuloglu H, Slimani Y, Akhtar S, Barghouthi M, Almessiere M, et al. Size effect of iron(III) oxide nanomaterials on the growth, and their uptake and translocation in common wheat (Triticum aestivum L.). Ecotoxicology and Environmental Safety. 2020;194:110377. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2020.110377.
  17. Chen G, Li J, Han H, Du R, Wang X. Physiological and molecular mechanisms of plant responses to copper stress. International Journal of Molecular Sciences. 2022;23(21):12950. DOI: 10.3390/ijms232112950.
  18. Mydy LS, Chigumba DN, Kersten RD. Plant copper metalloenzymes as prospects for new metabolism involving aromatic compounds. Frontiers in Plant Science. 2021;12:692108. DOI: 10.3389/fpls.2021.692108.
  19. Gaucin-Delgado JM, Ortiz-Campos A, Hernandez-Montiel LG, Fortis-Hernandez M, Reyes-Pérez JJ, Gonzáles-Fuentes JA, et al. CuO – NPs improve biosynthesis of bioactive compounds in lettuce. Plants. 2022;11(7):912. DOI: 10.3390/plants11070912.
  20. Abbasirad S, Ghotbi-Ravandi AA. Toxicity of copper oxide nanoparticles in barley: induction of oxidative stress, hormonal imbalance, and systemic resistances. BMC Plant Biology. 2025;25(1):187. DOI: 10.1186/s12870-025-06213-6.
  21. Lyu S, Wei X, Chen J, Wang C, Wang X, Pan D. Titanium as a beneficial element for crop production. Frontiers in Plant Science. 2017;8:597. DOI: 10.3389/fpls.2017.00597.
  22. Skiba E, Pietrzak M, Michlewska S, Gruszka J, Malejko J, Godlewska-Żyłkiewicz B, et al. Photosynthesis governed by nanoparticulate titanium dioxide. The Pisum sativum L. case study. Environmental Pollution. 2024;340(2):122735. DOI: 10.1016/j.envpol.2023.122735.
  23. Demidchik V, Tester M. Sodium fluxes through nonselective cation channels in the plasma membrane of protoplasts from Arabidopsis roots. Plant Physiology. 2002;128(2):379–387. DOI: 10.1104/pp.010524.
  24. Demidchik V. Mechanisms and physiological roles of K+ efflux from root cells. Journal of Plant Physiology. 2014;171(9):696–707. DOI: 10.1016/j.jplph.2014.01.015.
  25. Demidchik V, Shabala S, Isayenkov S, Cuin TA, Pottosin I. Calcium transport across plant membranes: mechanisms and functions. New Phytologist. 2018;220:49–69. DOI: 10.1111/nph.15266.
  26. Foreman J, Demidchik V, Bothwell JHF, Mylona P, Miedema H, Torres MA, et al. Reactive oxygen species produced by NADPH oxidase regulate plant cell growth. Nature. 2003;422:442–446. DOI: 10.1038/nature01485.
  27. Demidchik V, Cuin TA, Svistunenko D, Smith SJ, Miller AJ, Shabala S, et al. Arabidopsis root K+ efflux conductance activated by hydroxyl radicals: single-channel properties, genetic basis and involvement in stress-induced cell death. Journal of Cell Science. 2010;123(9):1468–1479. DOI: 10.1242/jcs.064352.
  28. Angel BM, Batley GE, Jarolimek CV, Rogers NJ. The impact of size on the fate and toxicity of nanoparticulate silver in aquatic systems. Chemosphere. 2013;93(2):359–365. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2013.04.096.
  29. Yusefi-Tanha E, Fallah S, Rostamnejadi A, Pokhrel LR. Root system architecture, copper uptake and tissue distribution in soybean (Glycine max (L.) Merr.) grown in copper oxide nanoparticle (CuO-NP)-amended soil and implications for human nutrition. Plants. 2020;9:1326. DOI: 10.3390/plants9101326.
  30. Liu X, Nadeem M, Rui Y. Effects of nanofertilizers on the mechanism of photosynthetic efficiency in plants: a review. Phyton – International Journal of Experimental Botany. 2024;93(12):3197–3216. DOI: 10.32604/phyton.2024.059281.
  31. Kiss T, Osipenko ON. Toxic effects of heavy metals on ionic channels. Pharmacological Reviews. 1994;46(3):245–267.
  32. Nguyen DV, Nguyen HM, Le NT, Nguyen KH, Nguyen HT, Le HM, et al. Copper nanoparticle application enhances plant growth and grain yield in maize under drought stress conditions. Journal of Plant Growth Regulation. 2022;41:364–375. DOI: 10.1007/s00344-021-10301-w.
  33. Linh TMT, Mai NC, Hoe PT, Lien LQ, Ban NK, Hien LTT, et al. Metal-based nanoparticles enhance drought tolerance in soybean. Journal of Nanomaterials. 2020;2020:1–13. DOI: 10.1155/2020/4056563.
  34. Shaw AK, Hossain Z. Impact of nano-CuO stress on rice (Oryza sativa L.) seedlings. Chemosphere. 2013;93(6):906–915. DOI: 10.1016/j.chemosphere.2013.05.044.
  35. Hruby MM, Cigler P, Kuzel S. Contribution to understanding the mechanism of titanum action in plants. Journal of Plant Nutrition. 2002;25(3):577–598. DOI: 10.1081/PLN-120003383.
  36. Hong F, Zhou J, Liu C, Yang F, Wu C, Zheng L, et al. Effect of nano-TiO2 on photochemical reaction of chloroplasts of spinach. Biological Trace Element Research. 2005;105(1–3):269–279. DOI: 10.1385/BTER:105:1–3:269.
  37. Djanaguiraman M, Nair R, Giraldo JP, Prasad PVV. Cerium oxide nanoparticles decrease drought-induced oxidative damage in sorghum leading to higher photosynthesis and grain yield. ACS Omega. 2018;3(10):14406–14416. DOI: 10.1021/acsomega.8b01894.
  38. Zheng L, Hong F, Lu S, Liu C. Effect of nano-TiO2 on strength of naturally aged seeds and growth of spinach. Biological Trace Element Research. 2005;105:83–91. DOI: 10.1385/BTER:104:1:083.
  39. Lu CM, Zhang CY, Wu JQ, Tao MX. Research of the effect of nanometer on germination and growth enhancement of Glycine max and its mechanism. Soybean Science. 2002;21:168–172.
  40. Demidchik V, Straltsova D, Medvedev SS, Pozhvanov GA, Sokolik A, Yurin V. Stress-induced electrolyte leakage: the role of K+-permeable channels and involvement in programmed cell death and metabolic adjustment. Journal of Experimental Botany. 2014;65:1259 –1270. DOI: 10.1093/jxb/eru004.
  41. Mazaherinia S, Astaraei A, Fotovvat A, Monshi A. Nano iron oxide particles efficiency on Fe, Mn, Zn and Cu concentrations in wheat plant. World Applied Sciences Journal. 2010;7(1):36–40.
  42. Sundaria N, Singh M, Upreti P, Chauhan RP, Jaiswal JP, Kumar A. Seed priming with iron oxide nanoparticles triggers iron acquisition and biofortification in wheat (Triticum aestivum L.) grains. Journal of Plant Growth Regulation. 2018;38:122–131. DOI: 10.1007/s00344-018-9818-7.
  43. Farooqui A, Tabassum H, Ahmad A, Mabood A, Ahmad A, Ahmad IZ. Role of nanoparticles in growth and development of plants: a review. International Journal of Pharmaceutics. 2016;7:22–37. DOI: 10.3389/fpls.2022.976179.
  44. Siddiqi KS, Rahman AU, Tajuddin T, Husen A. Biogenic fabrication of iron/iron oxide nanoparticles and their application. Nanoscale Research Letters. 2016;11(1):498. DOI: 10.1186/s11671-016-1714-0.
  45. Raza MAS, Amin J, Valipour M, Iqbal R, Aslam MU, Zulfiqar B, et al. Cu-nanoparticles enhance the sustainable growth and yield of drought-subjected wheat through physiological progress. Scientific Reports. 2024;14(1):14254. DOI: 10.1038/s41598-024-62680-1.
  46. Rashad YM, El-Sharkawy HHA, Belal BEA, Razik EAS, Galilah DA. Silica nanoparticles as a probable anti-oomycete compound against downy mildew, and yield and quality enhancer in grapevines: field evaluation, molecular, physiological, ultrastructural, and toxicity investigations. Frontiers in Plant Science. 2021;12:763365. DOI: 10.3389/fpls.2021.763365.
  47. Bakhtiari M, Moaveni P, Sani B. The effect of iron nanoparticles spraying time and concentration on wheat. Biological Forum – an International Journal. 2015;7:679–683.

Загрузки

Опубликован

2026-02-17

Выпуск

№ 3 (2025): Экспериментальная биология и биотехнология

Раздел

Физиология и клеточная биология

Лицензия

Copyright (c) 2026 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

Гриусевич, П. В., Артишевская, В. Е., Мыслейко, М. А., Соколик, А. И., Пшибытко, Н. Л., Смолич, И. И., & Демидчик, В. В. (2026). Регуляция катионных токов через плазматическую мембрану клеток корня высших растений под действием наночастиц оксидов меди, железа и титана. Экспериментальная биология и биотехнология, 3, 4-15. https://doi.org/10.33581/2957-5060-2025-3-%p