Обработка золотом сделала листья пшеницы «сахарнее» и устойчивее к заморозкам

Ученые повысили устойчивость пшеницы к холоду, обработав ее семена наночастицами на основе золота. Это позволило получить растения с измененным обменом веществ, у которых вдвое усилен рост и повышена активность гена Wcor15, защищающего от холода. Кроме того, обработка наночастицами на 16% увеличила количество сахаров в листьях взрослых растений, что спасло их от обезвоживания и замерзания во время холодов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Plants.

Чтобы выращивать чувствительные к холоду сельскохозяйственные культуры — например яровую пшеницу, кукурузу, горчицу или рукколу — в северных регионах России, нужно сделать растения устойчивыми к низким температурам. Поэтому селекционеры выводят сорта, у которых в условиях холода в листьях накапливаются сахара, используемые в качестве источника энергии и работающие как криопротекторы. Дело в том, что высокое содержание сахаров в клетках снижает риск обезвоживания и образования льда, тем самым стабилизируя клеточные мембраны и защищая их от разрушения. Кроме того, холодостойкие растения имеют гены, которые кодируют белки, также помогающие стабилизировать мембраны при воздействии низкой температуры. Однако на практике этого бывает недостаточно, так как для холодочувствительных сортов самый низкий порог температуры обычно составляет от -3°С до -5°С, хотя в природе растения сталкиваются с заморозками около -10°С.

Ученые из Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН (Москва) предложили обрабатывать семена сельскохозяйственных растений наночастицами на основе золота, чтобы повысить устойчивость культур к холоду. Наночастицы синтезировали сотрудники Института биохимии и физиологии растений и микроорганизмов Саратовского научного центра (Саратов) из хлорауриновой кислоты — коммерчески доступного соединения, которое активно используется в медицине. Размер полученных структур составил 20 нанометров — примерно в 700 раз меньше диаметра человеческого волоса. Благодаря такой малой величине наночастицы могли преодолевать оболочки семян и, попадая внутрь клеток, изменять обмен веществ (метаболизм) растений.

Авторы исследовали влияние различных концентраций наночастиц золота на устойчивость к низким температурам пшеницы генотипа Злата, относящейся к раннеспелым высокоурожайным яровым сортам, широко используемым в сельскохозяйственной отрасли России (более 50% хозяйств). Этот сорт способен выдерживать небольшие заморозки до -3°С. Для увеличения устойчивости пшеницы к низким температурам авторы замачивали семена в растворах нанозолота разных концентраций (5, 10, 20 и 50 микрограмм в миллилитре). Затем из обработанных семян выращивали растения, которые в возрасте 10 дней «закаливали» — помещали на 7 суток в камеру с температурой 4°С, а после этого определяли их морозостойкость. Для этого растения выдерживали при температурах от 0°С до -9°С, снижая постепенно (через каждые 24 часа) температуру на 2°С.

Если при температуре 0°С выживаемость всех растений составила 100%, то при -3°С — 60% для контрольных (необработанных наночастицами) растений и до 97% для прошедших обработку проростков. Снижение температуры до -5°С привело к гибели контрольных растений, в то время как выживаемость пшеницы, обработанной наночастицами, составила более 50%. При этом концентрация наночастиц, равная 10 микрограммам на миллилитр, оказалась наиболее эффективной. Также биологи проанализировали биохимические и молекулярно-генетические показатели листьев пшеницы. Оказалось, что обработка наночастицами золота на 16% увеличила содержание сахаров в клетках и в восемь раз повысила активность гена Wcor15, отвечающего за устойчивость к холоду.

Поскольку наночастицы золота можно быстро и легко синтезировать из хлорауриновой кислоты, предложенный эффективный, простой и экономически выгодный метод обработки растений может использоваться при адаптации теплолюбивых сельскохозяйственных культур к северным широтам.

«Исследование показало, что наночастицы золота изменяют метаболизм растений и активность генов, отвечающих за адаптацию к низкотемпературному стрессу. Обработку ими можно рассматривать как фитонанотехнологию, позволяющую повышать морозостойкость культурных растений и тем самым расширять диапазон широт, подходящих для выращивания сортов, которые не имеют генетической устойчивости к холоду. Мы собираемся продолжить исследование, чтобы лучше понять физиолого-биохимические и молекулярные механизмы влияния наночастиц золота на растительный организм. Возможно, мы будем использовать их в качестве стимуляторов роста и развития, а также адаптогенов, увеличивающих стрессоустойчивость растений при действии неблагоприятных факторов среды», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Юлия Венжик, кандидат биологических наук, ведущий научный сотрудник Института физиологии растений имени К.А. Тимирязева РАН.