Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА НА РОСТ И РАЗВИТИЕ ТОМАТА (LYCOPERSICON ESCULENTUM) В КУЛЬТУРЕ IN VITRO

Вардуни Т.В. 1 Середа М.М. 1 Капралова О.А. 1 Чохели В.А. 1 Вардуни В.М. 1 Шиманская Е.И. 1
1 Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского Южного Федерального Университета
Целью данного исследования было изучение действия наночастиц диоксида титана на рост и развитие семян и стерильных эксплантов томата (Lycopersicon esculentum). В качестве эксплантов использовались побеги на стадии первого настоящего листа, полученные из сеянцев. С целью деконтаминации растений вначале проводилась поверхностная стерилизация семян. Семена проращивались при температуре 25˚, фотопериоде 16/8 ч, при освещенности 2500 Кл. Для оценки энергии прорастания семян производилась их обработка наночастицами диоксида титана (НЧ TiO2) различной концентрации. Для получения стерильных эксплантов использовали стерилизованные, не обработанные НЧ TiO2 семена. В этих же условиях развивались экспланты in vitro. Для каждого варианта эксперимента с определенной концентрацией наночастиц брали по 70 семян. При культивировании растений томата во всех вариантах оценивали морфологические характеристики эксплантов: длину стебля, количество настоящих листьев, длину корешка. Для внесения в питательную среду использовали НЧ TiO2, < 100 нм, рутильная форма. Исследования особенностей роста и развития семян и проростков томата на среде с добавлением наночастиц TiO2 разных концентраций показали, что высокие концентрации наночастиц оксида титана (100 и 150 мг/л) оказывают угнетающее воздействие на длину корня, длину стебля, количество настоящих листьев. Некоторое стимулирующее воздействие на рост стебля наночастицы диоксида титана в концентрации 40 мг/л оказывали на 14-й и 21-й дни. Исследование выполнено в лаборатории экологии физиологии растений Ботанического сада ЮФУ.
наночастицы
диоксид титана
стерильные экспланты томата
lycopersicon esculentum
энергия прорастания семян
морфологические параметры растений.
1. Огнев В.В. Современные тенденции развития овощеводства Ростовской области / В.В. Огнев, В.Е. Зинченко, Н.И. Берников // Актуальные проблемы и пути их решения в современном плодоводстве, овощеводстве и виноградарстве Дона: материалы междунар. науч.-производ. конф. - Персиановский: ДонГАУ, 2014. - Ч. 1. - С. 122-125.
2. Проданчук Н.Г., Балан Г.М. Наночастицы диоксида титана и их потенциальный риск для здоровья и окружающей среды // Современные проблемы токсикологии пищевой и химической безопасности. - 2011. - № 4 (54). - С. 11-27.
3. Вардуни Т.В., Капралова О.А., Королева О.Г. и др. Влияние наночастиц оксида цинка и диоксида титана на растения редиса посевного (RAPHANUS SATIVUS) // Окружающая среда и человек. Современные проблемы генетики, селекции и биотехнологии: сб. мат. междунар. науч. конф. и молодеж. науч. конф. памяти чл.-корр. РАН Д.Г. Матишова. - 2016. – С. 513-515.
4. Varduni T.V., Minkina T.M., Gorbov S.N. et al. Analysis of heavy metals in pylaisiella moss (pylaisia polyantha) growing in the city of ROSTOV-ON-DON // Middle East Journal of Scientific Research. - 2015. - Т. 23. - № 2. - С. 165-169.
5. Aruoja V. Toxicity of nanoparticles of CuO, ZnO and TiO2 to microalgae Pseudokirchneriella subcapitata / V. Aruoja, H.C. Dubourguier, K. Kasemets // Sci. Total Environ. - 2009. - 407 (4). - P. 1461-1468.
6. Blaise C. Ecotoxicity of selected nanomaterials to aquatic organisms / C. Blaise, F. Gagne, J.F. Ferard // Environ. Toxicol. - 2008. - 23. - P. 591-598.
7. Varduni T.V., Minkina T.M., Buraeva E.A. et al. Accumulation of radionuclides by pylaisiella moss (pylaisia polyantha) under urboecosystem conditions // American Journal of Applied Sciences. - 2014. - Т. 11. - № 10. - С. 1735-1742.
8. EC. EU nanotechnology R&D in the field of health and environmental impact of nanoparticles. – 2008. - 124 p. European Commission.
9. Faes C. Model averaging using fractional polynomials to estimate a safe level of exposure / C. Faes, M. Aerts // Risk. Anal. - 2007. - 27. - № 1. - P. 111-123.
10. Hou Juan. Effects of titanium dioxide nanoparticles on development and maturation of rat preantral follicle in vitro / Juan Hou, Wang Xuying // Academic Journal of Second Military Medical University. - 2009. - 8. - P. 16-24.
11. Oberdorster G. Nanotoxicology: Am Emerging Discipline Evolving from Studies of Ultrafine Particles / G. Oberdorster, E. Oberdorster, J. Oberdorster // Environmental Health Perspectives. - 2005. - 7 (13). - P. 823-839.
12. Robichaud K.O. Estimates of Upper Bounds and Trends in Nano-TiO2 Production As a Basis for Exposure Assessment / K.O. Robichaud, A.E. Uyar, M.R. Darby // Environ. Sci. Technol. - 2009. - 43 (12). - P. 4227-4233.
13. Ruffini Castiglione M. The effects of nanoTiO2 on seed germination, development and mitosis of root tip cells of Vicia narbonensis L. and Zea mays L / M. Ruffini Castiglione, L. Giorgetti // Journal of Nanoparticle Research. - 2010. - 10. - P. 24-30.
14. Soonchul Kwon. Photocatalytic Applications of Micro- and nano-TiO2 in Environmental Engineering / Soonchul Kwon, Maohong Fan // Critical Reviews in environmental Science and Technology. - 2008. - V. 38. - 3. - P. 197-226.
15. Velzeboer I. Aquatic ecotoxicity tests of some nanomaterials / I. Velzeboer, A. Jan Hendriks // Environ. Toxicol. and Chem. - 2008. - 27. - № 9. - P. 1942-1947.
16. Wang J.J. Cyto and genotoxicity of ultrafine TiO2 particles in cultured human lymphoblastoid cells / J.J. Wang, B.J. Sanderson, H. Wang // Mutat res. - 2007. - 628. - P. 99-106.
17. Zhonghua Zhou. The stable and uniform characteristics of nitrogen in nitrogen doped titanium dioxide nanophotocatalytic particles / Zhonghua Zhou, Yue Huang // Journal of physics: Conference Series. - 2009. - 188. - 012033. - P. 1-5.
18. Гуськов Е.П., Шкурат Т.П., Вардуни Т.В. и др. Генетика окислительного стресса / Южный федеральный ун-т; Науч.-исслед. ин-т биологии; Северо-Кавказский науч. центр высш. шк. – Ростов н/Д, 2009. – 159 с.

В настоящее время особую остроту приобретают проблемы изучения положительного и отрицательного влияния наноматериалов на биологические объекты. Подобные исследования становятся чрезвычайно актуальными, так как расширяется спектр и количество наночастиц, попадающих в окружающую среду, требуется разработка методов оценки последствий воздействия наночастиц на живые организмы, а развитие нанотехнологий становится неотъемлемой частью реализации плана научно-инновационного развития России [1-3].

Биобезопасность нанотехнологий, изучение особенностей поведения наночастиц в окружающей среде, живых организмах, в том числе растениях, является предметом многочисленных исследований [4-6]. Наноматериалы широко используются в оптике, химических технологиях, в медицине, в парфюмерно-косметической промышленности, сельском хозяйстве [7; 8] и т.д.

В первых экспериментальных исследованиях по биотестированию наночастиц предпочтение было отдано растениям. Растения являются разнообразными и доступными объектами, обладают чувствительностью к внешним слабоинтенсивным факторам, иногда на порядок превышающей чувствительность объектов животного происхождения [9]. Известно, что наночастицы размером менее 10 нм способны не только проникать внутрь растительной клетки, но и встраиваться в мембрану. Растения, культивируемые в условиях in vitro, являются хорошим модельным тест-объектом для оценки воздействия наночастиц, которые могут вноситься в питательную среду. Перспективным является изучение особенностей морфогенеза, цитогенетических показателей, взаимодействия наночастиц с внутриклеточными структурами [10].

Наночастицы TiO2 широко используются в современной промышленности как в чистом виде, так и в составе наноматериалов. Только в США четыре крупные компании (Altairnano, Dupont, Nanophase, Nanogram) вырабатывают в год более 100 000 тонн НЧ TiO2, а к 2025 году их производство прогнозируется довести до 2,5 млн тонн. НЧ TiO2 обладают более высоким фотокаталитическим эффектом, чем микрочастицы TiO2 [11; 12], формируя под воздействием УФ-излучения активные формы кислорода, гидроксильные радикалы, H2O2 и др. [13; 14].

Несмотря на широкий спектр исследований по изучению токсических свойств НЧ TiO2, тему нельзя считать достаточно изученной. Исследование токсичности НЧ TiO2 in vitro на разных культурах показало наличие у них выраженных цитотоксических свойств [15; 16]. Фитотоксический эффект НЧ TiO2 был показан на однодольных и двудольных растениях [17] при изучении скорости прорастания семян и удлинения корней, а генотоксический эффект - при анализе показателей митотического индекса, уровня аберраций хромосом и количества микроядер в клетках растений. Основным механизмом токсического действия наночастиц оксида титана является индукция активных форм кислорода, причем реактивность зависит не только от размеров наночастиц, но и от того, какой структурой представлен TiO2 [18].

Целью данного исследования было изучение действия НЧ TiO2 на рост и развитие семян и стерильных эксплантов томата (Lycopersicon esculentum).

Задачи исследования включали:

- оценку энергии прорастания семян, обработанных раствором НЧ TiO2;

- получение стерильных эксплантов томата и введение их в культуру in vitro;

- изучение морфологических характеристик эксплантов томата при культивировании на среде с добавлением НЧ TiO2.

Объекты и методы исследования

Объектами для проведения исследований послужили семена томата (Lycopersicum esculentum) сорта Зарница. Выбор сорта обусловлен его широким применением на юге России, в том числе и в Ростовской области [1].

Стерилизация семян

В качестве эксплантов использовались побеги на стадии первого настоящего листа, полученные из сеянцев. С целью деконтаминации растений вначале проводилась поверхностная стерилизация семян. Для этого семена промывались 20 минут в водопроводной воде с добавлением TWIN-80, затем в ламинар-боксе обрабатывались 1 минуту в 70%-ном этиловом спирте, 5 минут в 20%-ном тимеразоле и 3 раза по 20 минут в стерильной дистиллированной воде. После просушки семена помещались на питательную среду Мурасиге-Скуга с половинным составом без добавления гормонов. На второй неделе культивирования, когда сеянцы достигали стадии первого настоящего листа, вычленялись верхушки сеянца размером около 1 см и переносились на питательную среду с добавлением наночастиц в различной концентрации: 10, 40, 60, 100, 150 мг/л.

Семена проращивались при температуре 25?, фотопериоде 16/8 ч, при освещенности 2500 Кл (для оценки энергии прорастания семян производилась их обработка НЧ TiO2 различной концентрации, для получения стерильных эксплантов использовали стерилизованные, не обработанные НЧ TiO2 семена). В этих же условиях развивались экспланты in vitro. Для каждого варианта эксперимента с определенной концентрацией наночастиц брали по 70 семян.

При культивировании растений томата во всех вариантах оценивали морфологические характеристики эксплантов: длину стебля, количество настоящих листьев, длину корешка.

Для внесения в питательную среду использовали НЧ TiO2, < 100 нм, рутильная форма.

Результаты и их обсуждение

Прорастание семян началось на 7-й день (рис. 1).

20160426_131156

Рис. 1. Семена томата на 7-й день после пассажа

Оценка энергии прорастания семян на 14-й день наблюдения показала, что воздействие НЧ TiO2 концентрацией 40 мг/л не оказало воздействия на значение этого показателя и осталось на уровне контрольных значений (75%). С увеличением концентрации НЧ TiO2 происходило снижение значения энергии прорастания. Наименьшее значение энергии прорастания характерно для семян, проросших на питательной среде с добавлением диоксида титана концентрацией 150 мг/л. Результаты представлены в таблице.

Энергия прорастания семян томата на 14-й день, %

Концентрация, TiO2

Энергия прорастания семян, %

40 мг/л

84,75 ±1,79

60 мг/л

67±2,35*

100 мг/л

63,5±2,40**

150 мг/л

62±2,42**

Контроль

83,5±1,85

* - тенденция к достоверности;

* *- достоверность по Τ-критерию Стьюдента при уровне значимости р<0,05.

Было проанализировано изменение длины стебля растений на 14, 21 и 28-й дни наблюдений. Результаты наблюдений представлены на рисунке 2. Наиболее интенсивное развитие проходило в культуре на питательной среде с низким содержанием наночастиц (10, 40 мг/л). Наблюдалась некоторая стимуляция роста стебля на 14-й и 21-й день на среде с добавлением НЧ TiO2 концентрации 40 мг/л. Наиболее существенное угнетение роста стебля наблюдали на 21-й и 28-й день на среде с добавлением НЧ TiO2 концентрацией 100 и 150 мг/л.

Рис. 2. Среднее значение длины стебля после пассажа и культивирования на 14, 21 и 28-й день, мм

Далее определяли визуально количество настоящих листочков во всех вариантах (рис. 3-5). Как видно из представленных данных, ни в одном из вариантов с добавлением наночастиц TiO2 не наблюдалось превышение контрольных значений, а рост на среде с добавлением наночастиц оксида титана концентрациями 100 и 150 мг/л вызывал существенное угнетение процесса роста листьев.

Рис. 3. Растения томата на 14-й день после посева на среду, концентрация наночастиц TiO2 100 мг/л

Рис. 4. Томаты после посева на среду на 21-й день, концентрация наночастиц TiO2 100 мг/л

Рис. 5. Среднее количество настоящих листьев на

14, 21 и 28-й день культивирования томата на питательной среде, ед.

На 28-й день исследования определяли длину корешка у растений томата во всех вариантах. Средние значения длины корня представлены на рисунке 6.

Рис. 6. Среднее значение длины корешка томатов на 28-й день культивирования, мм

Растения на среде с добавлением самых высоких концентраций наночастиц диоксида титана (100 и 150 мг/л) показали наименьшие значения длины корня. В остальных случаях существенных изменений по сравнению с контролем не наблюдалось.

Заключение

Исследования особенностей роста и развития семян и проростков томата на среде с добавлением наночастиц TiO2 разных концентраций показали, что высокие концентрации наночастиц оксида титана (100 и 150 мг/л) оказывают угнетающее воздействие на энергию прорастания семян, морфологические параметры растений (длина корня, длина стебля, количество настоящих листьев). Некоторое стимулирующее воздействие на рост стебля наночастицы диоксида титана в концентрации 40 мг/л оказывали на 14-й и 21-й дни.

Исследование выполнено в лаборатории экологии физиологии растений Ботанического сада ЮФУ в рамках базовой части государственного задания в сфере научной деятельности Министерства образования и науки РФ № 6.6222.2017/БЧ и Гранта Президента РФ по государственной поддержке ведущих научных школ «Экологические и сельскохозяйственные функции почв в условиях антропогенной нагрузки» № НШ-9072.2016.11. (2016-2017 гг.) с использованием оборудования ЦКП «Биотехнология, биомедицина и экологический мониторинг».


Библиографическая ссылка

Вардуни Т.В., Середа М.М., Капралова О.А., Чохели В.А., Вардуни В.М., Шиманская Е.И. ВЛИЯНИЕ НАНОЧАСТИЦ ДИОКСИДА ТИТАНА НА РОСТ И РАЗВИТИЕ ТОМАТА (LYCOPERSICON ESCULENTUM) В КУЛЬТУРЕ IN VITRO // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 6.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=27318 (дата обращения: 28.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074