Наночастицы железа повысили эффективность клонирования пшеницы

В селекции и генной инженерии растений широко используется выращивание растений из клеток в пробирке в питательной среде. Метод позволяет получать генетически идентичные клоны растений или модифицированные линии. Однако у многих сельскохозяйственных культур, в том числе пшеницы, процесс регенерации — превращения клеток в полноценные побеги, остается малоэффективным. Часто клетки теряют жизнеспособность или образуют только корни без побегов. Это затрудняет создание новых сортов.

Ученые Красноярского научного центра СО РАН добавили в питательную среду наночастицы содержащего железо соединения — ферргидрита, и проследили, как они влияют на рост и развитие растительных тканей пшеницы, выращиваемых в пробирке. Исследование проводилось на шести сортах и двенадцати селекционных линиях 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 том плане. Они в основном воздействуют на антиоксидантные системы, а не просто снабжают растение дополнительным железом. Ранее они 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», — отметила Валентина Ступко, кандидат сельскохозяйственных наук, ведущий научный сотрудник Научно-исследовательского института сельского хозяйства КНЦ СО РАН.

Ученые добавляли наночастицы в питательную среду на разных этапах развития клеточной культуры: образования скопления клеток из зародышей, активного размножения клеток, формирования побегов и корней. Результаты показали, что двукратное воздействие наночастиц на разных этапах развития клеточной культуры значительно повышает частоту регенерации, увеличивает жизнеспособность тканей, стимулирует синтез хлорофилла. Ученые также отметили, что добавление ферригидрита замедляло процессы старения клеток и стимулировало фотосинтез.

Особенно высокую эффективность ученые наблюдали при воздействии ферригидрита на первых двух этапах. Регенерация клеточных тканей ускорялась в четыре раза по сравнению с контрольными образцами. В таких образцах вдвое чаще формировались зоны, содержащие хлорофилл — предшественники побегов, а доля погибших образцов сократилась на 30%. Однако постоянное присутствие наночастиц на всех трех этапах вызывало обратный эффект — усиление окислительного стресса и гибель клеток.

Исследователи предполагают, что наночастицы действуют аналогично фитогормонам, запуская программу образования стеблей. При коротком контакте ферригидрит, вероятно, выступает как активатор антиоксидантной системы и предотвращает старение растительных клеток. Наночастицы в малых дозах активируют реакции неспецифического иммунитета и стимулируют защитные системы клеток через выработку активных форм кислорода, тогда как при высоких концентрациях они вызывают окислительное повреждение. Данные показывают, что кратковременный контакт с наночастицами "тренирует" клетки, повышая их устойчивость к стрессу.

«Это открытие имеет большой потенциал для ускорения создания новых сортов сельскохозяйственных культур. Интересно, что лучший результат был получен при двукратном контакте тканей с ферригидритом: сначала на этапе образования каллусов из зародышей, а затем активного их разрастания. В результате ткани реже отмирали и быстрее превращались в полноценные побеги. Выявленный эффект может найти более широкое применение, включая использование наночастиц ферригидрита в качестве активаторов фотосинтеза в работах по повышению продуктивности сельскохозяйственных культур. Данный агент можно использовать в качестве стимулятора роста. Наночастицы ферригидрита могут повысить экологическую устойчивость сельскохозяйственных культур, что положительным образом скажется на продовольственной безопасности. Кроме того, используемая форма ферригидрита относится к производимым экологически чистым способом, что делает его более приемлемым для использования в сельском хозяйстве», — рассказала Валентина Ступко.

Полученные результаты позволяют ускорить процесс создания новых сортов пшеницы, а методика может быть адаптирована для других сельскохозяйственных культур и открывает новые горизонты для использования наночастиц в сельском хозяйстве.

Подобные разработки могут стать основой для планируемого в регионе научно-производственного кампуса. Интеграция исследований с сельскохозяйственными предприятиями позволит быстрее внедрять перспективные технологии в селекцию и растениеводство. В перспективе это может повысить урожайность культур и укрепить продовольственную безопасность.

Результаты исследования опубликованы в Аграрном научном журнале.