CC BY
25
Химия растительного сырья. 2019. №3. С. 345-354. DOI: 10.1425 8/j cprm.2019034794
УДК 57.022
ВОЗДЕЙСТВИЕ НАНОРАЗМЕРНОГО СЕЛЕНА НА ВОЗБУДИТЕЛЬ КОЛЬЦЕВОЙ ГНИЛИ И КАРТОФЕЛЬ /Л/ У/77?0
© И.А. Граскова1'2, А.И. Перфильева1 ', O.A. Ножкина1, A.B. Дьякова3, В.Н. Нурминский1, И.В. Клименков3'4, Н.П. Судаков3'5, Т.М. Бородина6, Г.П. Александрова6, М.В. Лесничая6, Б.Г. Сухое2'6, Б.А. Трофимов6
1 Сибирский институт физиологии и биохимии растений СО РАН, ул. Лермонтова, 132, Иркутск, 664033 (Россия), e-mail: [email protected] 2Иркутский научный центр СО РАН, ул. Лермонтова, 134, Иркутск, 664033 (Россия)
3Иркутский государственный университет, ул. Карла Маркса, 1, Иркутск, 664003 (Россия)
4Лимнологический институт СО РАН, ул. Улан-Баторская, 3, Иркутск, 664033 (Россия)
5Иркутский научный центр хирургии и травматологии, ул. Борцов Революции, 1, Иркутск, 664003 (Россия)
6Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, ул. Фаворского, 1, Иркутск, 664033 (Россия)
Изучена биологическая активность нанокомпозита селена в биополимерной матрице с высоким содержанием селена - 6.4%. Ранее было показано, что нанокомпозиты селена и арабиногалактана (НЕС Se/AT, 1.23% и 3.4% Se) обладают бактерицидным и бактериостатическим эффектом по отношению к фитопатогенной бактерии Clavibacter michi-ganensis subsp. sepedonicus {Cms) и не оказывают негативного влияния на жизнеспособность растений картофеля in vitro. В настоящей работе исследования показали, что изучаемый нанокомпозит обладает бактериостатическим эффектом, ин-гибирует прирост бактерий на 20% по сравнению с контролем и снижает способность бактерий Cms к образованию биопленок, способствующих их высокой устойчивости к внешним факторам. Эксперименты, проведенные на растениях, показали отсутствие негативного воздействия НЕС Se/AT на биометрические показатели и уменьшение негативного эффекта заражения картофеля Cms. Нанокомпозит снижал активность пероксидазы и содержание активных форм кислорода в тканях картофеля. Установлено, что селен не накапливается в картофеле после обработки растений НЕС Se/AT. Полученные результаты позволяют рассматривать НЕС Se/AT (6.4%) Se) в качестве агента для оздоровления культурных растений от патогенных бактерий.
Ключевые слова: нанокомпозит, арабиногалактан, селен, картофель, Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus, пероксидаза.
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для молодых ученых ШМК-1220.2019.11, гранта РФФИ и Правительства Иркутской области № 17-416-380001, а также Госзадания НИР ИрИХ СО РАН (№ АААА-А19-119022690046-4).
Введение
Граскова Ирина Алексеевна - доктор биологических
наук, главный научный сотрудник,
e-mail: [email protected]
Перфильева Алла Иннокентьевна - кандидат
биологических наук, научный сотрудник,
e-mail: [email protected]
Ножкина Ольга Александровна - аспирант,
e-mail: [email protected]
Дьякова Анастасия Вячеславовна - студентка,
e-mail: [email protected]
Окончание на С. 346.
Различные заболевания культурных растений, большинство из которых вызываются патогенными грибами и бактериями, отрицательно влияют на урожайность в современном растениеводстве [1]. Бактерии рода ('1а\чЬас1ег поражают широкий круг культурных и сорных растений [2]. Одним из представителей этого рода является ('1а\чЬас1ег
* Автор, с которым следует вести переписку.
michiganensis ssp. sepedonicus - возбудитель кольцевой гнили картофеля [3]. На сегодняшний день не существует эффективных и безопасных способов борьбы с большинством бактерий, вызывающих заболевания культурных растений. В связи с этим необходимо разработать способы оздоровления растений от фитопа-тогенных бактерий с применением препаратов на основе природных соединений, которые не будут влиять на рост растений и при этом оказывать губительного воздействия на возбудителей заболеваний.
Развитие нанотехнологий позволяет внедрять инновационные материалы во многие сферы человеческой деятельности - медицину, сельское хозяйство и пищевую промышленность [4-7], однако в фитопатологии нанокомпозитные материалы практически не применяются. Ранее нами был исследован ряд наноком-позитов: с содержанием серебра и гуминовых кислот [8], серебра и арабиногалактана [9], селена и крахмала, а также селена и арабиногалактана [10-12].
Целью настоящей работы является изучение влияния нанокомпозита арабиногалактана и селена на жизнеспособность бактерии Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus, а также на биометрические и биохимические показатели растений картофеля in vitro.
Материалы и методы
Культивирование растений картофеля. Влияние нанокомпозита изучали на растениях картофеля in vitro сорта Лукьяновский, являющегося восприимчивым к кольцевой гнили картофеля [13]. Микроклональ-ное размножение пробирочных растений осуществляли с помощью черенкования на агаризованной питательной среде Мурасиге-Скуга (Sigma-Aldrich, USA) 4.2 г/л с добавлением 30 г/л сахарозы, 1 мл/л пиридок-сина, 1 мл/л тиамина и 1 мл/л феруловой кислоты, рН 5.8-6.0. Растения культивировали в течение 20 сут. при 26 °С и освещенности 5-6 кЛк.
Бактерии. Использовали штамм Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus (Cms) Ac-1405, возбудителя кольцевой гнили картофеля (получен из Всероссийской коллекции микроорганизмов, г. Пущино, Московская обл.). Бактерии Cms выращивали на среде с глюкозой, пептоном и дрожжевым экстрактом (GPY) [14, 15].
Для исследования бактериостатической активности биокомпозитов селена в отношении кольцевой гнили картофеля жидкую культуру Cms выращивали в темноте при 26 °С на качалке (80 об./мин) в колбах, содержащих питательную среду GPY, рН 7.2.
Влияние нанокомпозита селена на биопленкообразование Cms исследовали с применением планшетного метода [16].
Синтез нанокомпозита 6.4% Se проводили окислением органилдиселенофосфината натрия перокси-дом водорода. Подробно процесс синтеза описан ранее [17-19]. Для экспериментов использовали водные растворы нанокомпозитов, в которых содержание селена составляло 0.000625%.
Схема эксперимента с растениями. Для проведения эксперимента в ростовую среду картофеля вно-Нурминский Вадим Николаевич - кандидат сили раствор нанокомпозитов. В вариантах с зара-
биологических наук, старший научный сотрудник, жением в среду вносили 1-суточную бактериаль-
e-mail: [email protected] „ _
Т, j „ , ную суспензию Cms. Растения инкубировали 26
Клименте Игорь Викторович - кандидат биологических J J J r
наук, старший научный сотрудник, сут, отслеживая каждые 2-е сут биометрические
e-mail: [email protected] показатели (длину растений и количество листьев,
Судаков Николай Петрович - кандидат биологических д междоузлий, массу корней и массу надзем-наук, ведущий научный сотрудник,
e-mail: [email protected] ной части) и активность пероксидазы во всех орга-
Бородина Татьяна Николаевна - младший научный нах: листьях, корнях и стеблях.
сотрудник, e-mail: [email protected] Активность гвояколзависимой пероксидазы
определяли по методу Бояркина [20]. Активность
Александрова Балина Петровна - кандидат химических наук, старший научный сотрудник,
e-mail: [email protected] фермента измеряли спустя сутки коинкубации рас-Лесничая Марина Владимировна - кандидат химических тений С нанокомпозитом.
наук, старший научный сотрудник, тт _
J . , - , ., ' Для выявления областей продукции актив-
e-mail: [email protected]
Сухов Борис Беннадьевич - кандидат химических наук, ных Ф°РМ кислорода (АФК) растения заражали
заведующий лабораторией наноматериалов, Cms, выдерживали 2 сут, затем обрабатывали нано-
e-mail. [email protected] композитом, спустя 1 ч кокультивирования осу-
Трофимов Борис Александрович - академик РАН,
научный руководитель института, ществляли подготовку проб для анализа. Образцы
e-mail: [email protected] ткани растений инкубировали 30 мин с 5 дМ
CellROX Deep Red Reagent (ex/em 644/665 nm) (Thermo Fisher Scientific Inc., USA), растворенном в фосфатном буфере. Далее ткань фиксировали 2% параформальдегидом в течение 15 мин. Ядра клеток окрашивали DAPI (ex/em 340/488 nm), 0.5 мкг/мл (Sigma-Aldrich, USA) в течение 15 мин. Полученные препараты заключали в ProLong Gold antifade reagent (Thermo Fisher Scientific Inc., USA) и исследовали в LSM 710 (Zeiss, Germany). Для исследования применяли следующие лазеры: 405, 561 нм; фильтры: Chi 410-522.
Методика рентгеновского спектрального энергодисперсионного микроанализа (РСЭДМА). Растения заражали Cms, через 2 сут, когда оно полностью колонизировано патогеном, его обрабатывали нанокомпо-зитом. Спустя 2 сут кокультивирования в факторостатных условиях осуществляли подготовку проб для анализа. Пробы, полученные из растертой и слегка подсушенной растительной ткани, наклеивали на электропроводный клей и помещали в камеру для съемки при помощи электронного сканирующего микроскопа «Hitachi TM 3000» с Х-детектором SDD Xflash 4304, где они подвергались электронному удару. С помощью пучка электронов атомы исследуемого образца возбуждались. испуская характерное для каждого химического элемента рентгеновское излучение. Исследуя энергетический спектр такого излучения, делали выводы о качественном и количественном составе образца.
Полученные данные подвергали статистической обработке с использованием пакета программ MS Excel.
Результаты и обсуждение
Первоначальной задачей настоящего исследования было выявление влияния исследуемого нанокомпо-зита на бактерию Cms. Для обнаружения бактериостатического эффекта нанокомпозита использовали метод измерения оптической плотности бактериальной суспензии. Были получены следующие результаты (рис. 1).
В контроле наблюдалась типичная логарифмическая кривая роста бактерий. Было обнаружено, что спустя 20 ч инкубации бактерий с НК Se/АГ их количество значительно снижалось по сравнению с контролем. Такая тенденция сохранялась при дальнейшем наблюдении за приростом бактерий. Нанокомпозит с содержанием селена 6.4%, также как и нанокомпозиты селена и арабиногалактана (1.23% и 3.4%), исследованные ранее [8, 10-12], обладал ингибирующим эффектом на прирост бактерий.
В прежних исследованиях нами было показано, что НК Se/АГ с содержанием селена 1.23%, синтезированный из оксида селена, оказывает на Cms бактерицидный эффект путем прикрепления наночастиц селена к клеткам бактерий, что нарушает их окислительно-восстановительный потенциал и ведет к гибели клетки. При этом было обнаружено отсутствие негативного эффекта НК Se/АГ на прирост растений картофеля и активность пероксидазы в его тканях [11, 12]. Далее нами было исследовано влияние на бактерию Cms и растения картофеля НК Se/АГ с большим содержанием селена 3.4%, который был синтезирован из бис(фенил-этил)диселенофосфината натрия. Такой нанокомпозит обладал бактериостатическим и бактерицидным эффектом [8] и не оказывал негативного влияния на прирост растений картофеля. На основании полученных результатов возникло предположение, что НК Se/АГ с еще большим содержанием селена будет более эффективен для регуляции численности фитопатогенных бактерий, однако неизвестно, каким образом подействует такой нанокомпозит на растения, будет ли безопасен для них. В связи с этим нами был синтезирован НК Se/АГ с содержанием селена 6.4%.
Также нами было исследовано влияние НК Se/АГ (6.4%) на способность бактерии образовывать биопленки. Известно, что биопленкообразование - важнейшая функция бактерий, способствующая их высокой устойчивости к внешним факторам [21-25]. Кроме того, бактерия Cms в сосудах растений образует пробки [2], основным составляющим которых, вероятно, являются биопленки. Результаты по влиянию нанокомпозита на биопленкообразование представили на рисунке 2. Было обнаружено, что обработка бактерий нано-композитом снижает их способность образовывать биопленки. Это является важным свойством нанокомпозита как потенциального агента для обеззараживания растений от бактерий.
Таким образом, эксперименты, проведенные на бактериях, показали наличие у нанокомпозита селена и арабиногалактана с содержанием селена 6.4% бактериостатического и антибиопленочного эффектов.
Следующим этапом исследования являлось изучение влияния нанокомпозитов на растения, зараженные возбудителем кольцевой гнили картофеля. Нами были исследованы биометрические характеристики растений, а также биохимические - активность пероксидазы и АФК в тканях картофеля. Для наиболее яркого выявления эффекта НК Se/АГ эксперименты проводили на картофеле восприимчивого сорта Лукьяновский.
Результаты показали, что обработка НК Se/АГ не оказывала негативного влияния на биометрические показатели картофеля (рис. 3).
Рис. 1. Влияние НК Se/АГ (6.4%) на прирост бактерий Cms
Рис. 2. Уменьшение биопленкообразования бактерий Cms под влиянием НК Se/АГ (6.4%)
Рис. 3. Влияние заражения Cms и НК Se/АГ (6.4%) на прирост растений картофеля. К - растения без заражения и обработки НК Se/АГ; НК Se/АГ - растения, подвергнутые обработке НК Se/АГ; Б - зараженные Cms растения картофеля; Б+НК Se/АГ - зараженные Cms и подвергнутые обработке НК Se/АГ растения картофеля
Также нами был исследован такой биометрический показатель, как количество листьев у растений картофеля, подвергнутых обработке нанокомпозитами (табл. 1).
Анализ количества листьев показал, что первые две недели наблюдения обработка неинфицирован-ных растений НК Se/АГ стимулировала образование листьев, далее исследуемый показатель был на уровне контроля (табл. 1). Зараженные Cms растения картофеля характеризовались меньшим количеством листьев по сравнению с контролем. Обработка НК Se/АГ зараженных Cms растений в течение первых двух недель наблюдения значительно сильнее по сравнению с другими опытными образцами стимулировала образование листьев. Однако в течение дальнейшего наблюдения за этими растениями наблюдалось снижение количества листьев. Вероятно, к тому времени весь вносимый нанокомпозит был утилизирован Cms и оставшиеся бактерии начали размножение, вызывая закупоривание стеблей картофеля, что препятствовало образованию листьев и снижению прироста растений. При этом не наблюдалось «эффекта вытягивания» растений (табл. 2).
В конце эксперимента нами была определена биомасса надземной части растений и их корней (табл. 2). Выявлено, что НК Se/АГ у картофеля стимулировал как образование корней, так и прирост вегетативной части по сравнению с контролем. Такой эффект нанокомпозита, вероятно, может быть связан с наличием у арабиногалактана биологической активности [26], которая, возможно, приводит к стимуляции прироста биомассы растений. Заражение растений бактерией Cms значительно снижало исследуемые показатели, однако обработка НК Se/АГ уменьшала негативное влияние заражения на массу корней и вегетативной части растений (табл. 2).
Для выявления наличия стрессового состояния у растений при их обработке НК Se/АГ нами были изучены такие биохимические характеристики, как активность пероксидазы и содержание АФК в тканях листьев картофеля. В таблице 2 представлены результаты по активности пероксидазы. Было выявлено, что обработка растений НК Se/АГ не влияет на активность фермента в тканях картофеля (табл. 2). Заражение Cms незначительно снижает активность фермента. Внесение нанокомпозита к зараженным Cms растениям демонстрирует повышение активности фермента. Такой результат свидетельствует об усилении защитной реакции растения на биотический стресс под влиянием НК Se/АГ.
Таблица 1. Влияние заражения Cms и НК Se/AT (6.4%) на количество листьев у растений картофеля in vitro
0 сут 2 сут 4 сут 6 сут 8 сут 10 сут 15 сут 21 сут 26 сут
К 9+0.0 10+0.0 10+1.0 10.3+0.5 13.3+2.1 13.7+2.3 16.7+2.1 18.3+2.9 19.7+4.5
НК Se/AT 9+1 11+3.4 14+4 15+4 15.3+4.7 17+5.2 16.6+5.0 17.7+4.0 18+3.60
Б 11.7+3.8 11+2.6 11.3+4.0 13.3+3.5 16.3+4.7 17+3.6 17+4.6 15.7+3.2 15.3+2.1
Б+НК Se/AT 7.7+0.6 13.7+1.5 16.3+1.2 17+1.7 19.3+1.2 19.3+1.2 19.7+2.1 15+5.3 13+5.7
Примечание: К - растения без заражения и обработки НК Se/AT; НК Se/AT - растения, подвергнутые обработке НК Se/AT; Б - зараженные Cms растения картофеля; Б+НК Se/AT - зараженные Cms и подвергнутые обработке НК Se/AT растения картофеля.
Таблица 2. Влияние заражения Cms и НК Se/AT (6.4%) на биометрические характеристики картофеля и
активность пероксидазы
К НК Se/AT Б Б+НК Se/AT
Длина междоузлий, см 1.18+0.03 1.27+0.25 1.03+0.15 1.15+0.10
Масса корней, г 0.29+0.16 0.35+0.17 0.13+0.02 0.17+0.08
Масса ВЧ, г 0.70+0.18 0.78+0.15 0.47+0.12 0.60+0.34
Активность пероксидазы, у.е. 0.021+0.001 0.020+0.002 0.019+0.001 0.0025+0.001
Примечание: К - растения без заражения и обработки НК Se/AT; НК Se/AT - растения, подвергнутые обработке НК Se/AT; Б - зараженные Cms растения картофеля; Б+НК Se/AT - зараженные Cms и подвергнутые обработке НК Se/AT растения картофеля; ВЧ - вегетативная часть растений.
Также нами было визуально определено наличие АФК в тканях зараженного картофеля как обработанного НК 8е/АГ, так и без обработки нанокомпозитом (рис. 4). На рисунке синим цветом обозначены ядра клеток, красным - активные формы кислорода.
Было обнаружено, что НК 8е/АГ усиливает образование АФК в клетках инфицированного возбудителем кольцевой гнили картофеля. Вероятно, это объясняется тем, что нанокомпозит способен активировать в растении защитные механизмы для борьбы со стрессом. Известно, что АФК являются сигнальными молекулами и путем повышения своей концентрации в клетке способны активировать множество защитных программ при стрессах как биотической, так и абиотической природы [27-30]. Поэтому наблюдаемая картина повышенного содержания АФК при добавлении нанокомопозита может свидетельствовать об ускоренной активации защитной реакции на стресс, вызванный инфицированием бактериями.
Так как в исследуемом в настоящей работе нанокомпозите содержание селена было повышенным по сравнению с ранее используемыми нанокомпозитами, необходимо было проверить, накапливается ли селен в тканях картофеля после обработки НК 8е/АГ. Для этого нами проведены исследования тканей картофеля на содержание селена методом РСЭДМА спустя сутки после обработки (рис. 5). Результаты элементного анализа тканей картофеля показали отсутствие селена в пределах обнаружения прибора (табл. 3).
Рис. 4. Увеличение продукции АФК в тканях картофеля после их обработки НК Se/AT (6.4%). Окраска на АФК (CellROX deep red reagent, красный) и ядра (DAPI, синий); конфокальная микроскопия, 3D-реконструкции. А - контроль; Б - участки ткани с многочисленными крупными кластерами АФК после обработки растений НК Se/AT (6.4%)
Рис. 5. Результаты рентгеновского спектрального энергодисперсионного микроанализа тканей растений картофеля, обработанных нанокомпозитом. Изображение анализируемой ткани картофеля (А), карта распределения 8е и основных органогенных элементов (Б)
Таблица 3. Результаты рентгеновского спектрального энергодисперсионного микроанализа тканей растений картофеля, обработанных нанокомпозитом
Элемент Нормализованное содержание ( масс. %) Атомное содержание (ат. %) Ошибка, %
Кислород 45.77 39.54 5.1
Углерод 45.36 52.19 5.0
Азот 7.92 7.82 1.1
Фосфор 0.69 0.31 0.1
Магний 0.26 0.15 0.0
Натрий 0.00 0.00 0.0
Селен 0.00 0.00 0.0
Всего: 100.0 100.0
Выводы
В результате проведенных экспериментов с нанокомпозитом селена и арабиногалактана с повышенным содержанием селена 6.4% было обнаружено, что он обладает бактериостатическим и антибиопленоч-ным эффектами.
НК Se/АГ обладает положительным влиянием на растения картофеля благодаря повышению его иммунного статуса за счет увеличения содержания АФК и повышения активности пероксидазы. После обработки растений НК Se/АГ селен не обнаруживается в тканях картофеля.
Полученные результаты позволяют рассматривать нанокомпозит селена и арабиногалактана в качестве экологически безопасного агента для оздоровления сельскохозяйственных растений от патогенных бактерий.
Работа выполнена с использованием коллекций ЦКП «Биоресурсный центр» Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН, ЦКП «Улътрамикроанализ» ЛИП СО РАН (Иркутск), а также Байкальского аналитического ЦКП IIpIIX СО РАН.
Список литературы
1. Анисимов Б.В., Белов Г.Л., Варицев Ю.А., Еланский С.Н., ЖуромскийГ.К., Завриев С.К., Зейрук В.Н., Иванюк В.Г., Кузнецова М.А., Пляхневич М.П., Пшеченков К.А., Симаков Е.А., Склярова Н.П., Сташевски 3., Усков А.И., Яшина И.М. Защита картофеля от болезней, вредителей и сорняков. М., 2009. 272 с.
2. Eichenlaub R., Gartemann К.Н. The Clcmbacter michiganensis subspecies: molecular investigation of gram-positive bacterial plant pathogens //Annual Review of Phytopathology. 2011. Vol. 49. Pp. 445^64. DOI: 10.1146/annurev-phyto-072910-095258.
3. Van der Wolf J.M., Elphinstone J.G., Stead D.E., Metzler M., Muller P., Hukkanen A., Karjalainen R. Epidemiology of Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus in relation to control of bacterial ring rot. Wageningen: Plant Research International B.V., 2005. Report 95.
4. Tran P.A., Webster T. Selenium nanoparticles inhibit Staphylococcus aureus growth // International Journal of Nano-medicine. 2011. Vol. 6. Pp. 1553-1558. DOI: 10.2147/DN.S21729.
5. Фадеева T.B., Шурыгина И.А., Сухов Б.Г., Раи М.К., Шурыгин М.Г., Уманец В.А., Лесничая М.В., Конькова Т.В., Шурыгин Д.М. Взаимосвязь между строением и антимикробной активностью нанокомпозитов серебра//Известия РАН. Серия физическая. 2015. Т. 79. №2. С. 297-299. DOI: 10.7868/S036767651502009X.
6. Yang X., Yang М., Pang В., Vara М., Xia Y. Gold nanomaterials at work in biomedicine // Chemical Reviews 2015. Vol. 115. N19. Pp. 10410-10488. DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00193.
7. Колесникова Л.И., Карпова E.A., Власов Б.Я., Сухов Б.Г., Трофимов Б.А. Состояние системы липопероксида-ции-антиоксидантной защиты при токсическом поражении печени и его профилактике нанокомпозитным препаратом селена и арабиногалакгана // Бюллютень экспериментальной биологии и медицины. 2015. Т. 159. №2. С. 183-187. DOI: 10.1007/sl0517-015-2928-3.
8. Перфильева А.И., Ножкина О.А., Граскова И.А., Сидоров А.В., Лесничая М.В., Александрова Г.П., Долмаа Г., Клименков И.В., Сухов Б.Г. Синтез нанобиокомпозитов селена и серебра и их влияние на фитопатогенную бактерию Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus // Известия Академии наук. Серия химическая. 2018. №1. С. 157-163. DOI 10.31255/978-5-94797-319-8-626-629.
9. Perfileva A.I., Zhivet'yev М.А., Gasisova А.V., Borovskii G.B., Graskova I.A., Sukhov B.G., Trofimov B.A. Bactericidal influence of silver nanocomposites on Clavibacter michiganensis ssp. sepedonicus II Journal of Stress Physiology & Biochemistry. 2016. Vol. 12. N2. Pp. 11-16.
10. Папкина A.B., Перфильева А.И, Живетьев М.А., Боровский Г.Б., Граскова И.А., Лесничая М.В., Клименков И.В., Сухов Б.Г., Трофимов Б.А. Влияние нанокомпозита селена и арабиногалакгана на жизнеспособность фитопатогена Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus // Доклады академии наук. 2015. Т. 461. №2. С. 239241. DOI: 10.7868/S0869565215030305.
11. Papkina A.V., Perfileva A.I., Zhivet'yev М.А., Borovskii G.B., Graskova I.A., Klimenkov I.V., Lesnichaya M.V., Sukhov B.G., Trofimov B.A. Complex effects of selenium-arabinogalactan nanocomposite on both phytopathogen Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus and potato plants //Nanotechnologies in Russia. 2015. Vol. 10. N5-6. Pp. 484^91. DOI: 10.1134/S1995078015030131.
12. Perfileva A.I., Moty'leva S.M., Klimenkov I.V., Graskova I.A., Skhov B.G., Trofimov B.A. Development of antimicrobial nano-selenium biocomposite for protecting potatoes from bacterial phytopathogens // Nanotechnologies in Russia. 2017. Vol. 12. N9-10. Pp. 553-558. DOI: 10.1134/S1995078017050093.
13. Romanenko A.S., Riffel A.A., Graskova I.A., Rachenko M.A. The role of extracellular pH-homeostasis in potato resistance to ring-rot pathogen//Journal of Phytopathology. 1999. Vol. 147. N11-12. Pp. 679-686. DOI: 10.1046/j.l439-0434.1999.00450.x.
14. Roozen N.J.M., van Vuurde J.W.L. Development of a semi-selective medium and an immunofluorescence colony-staining procedure for the detection of Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus in cattle manure slurry // Netherlands Journal of Plant Pathology. 1991. Vol. 97. N5. Pp. 321-334.
15. Florack D.E., Visser В., de Vries P.M., van Vuurde J.W.L., Stiekema W.J. Analysis of the toxicity of purothionins and hordothionins for plant pathogenic bacteria//Netherlands Journal of Plant Pathology. 1993. Vol. 99. N5-6. Pp. 259-268.
16. Шагинян И.А., Данилина Г.А., Чернуха М.Ю., Алексеева Г.В., Батов А.Б. Формирование биопленок клиническими штаммами бактерий комплекса Burkholderia cepacia в зависимости от их фенотипических и генотипиче-ских характеристик // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2007. №1. С. 3-8.
17. Патент №2557992 (РФ). Антиоксидантное средство с гепатопротекторным эффектом на основе нанострукту-рированного селена и способы его получения и применения / Е.А. Карпова, Б.Г. Сухов, Л.И. Колесникова, Б.Я. Власов, А.В. Артемьев, М.В. Лесничая, Н.Н. Погодаева, О.П. Ильина, С.А. Сайванова, С.В. Кузнецов, Б.А. Трофимов /2015.
18. Шурыгина И.А., Родионова Л.В., Шурыгин М.Г., Сухов Б.Г., Кузнецов С.В., Попова Л.Г., Дремина Н.Н. Конфокальная микроскопия в изучении влияния оригинальных проферментных наногликоконъюгатов элементного селена на регенерацию опорных тканей // Известия РАН. Серия физическая. 2015. Т. 79. №2. С. 280-282. DOI: 10.7868/S0367676515020271.
19. Родионова Л.В., Шурыгина И.А., Сухов Б.Г., Попова Л.Г., Шурыгин М.Г., Артемьев А.В., Погодаева Н.Н., Кузнецов С.В., Гусарова Н.К., Трофимов Б.А. Нанобиокомпозит селена и арабиногалакгана: синтез, строение и применение//Журнал общей химии. 2015. Т. 85, вып. 2. С. 314-316. DOI: 10.1134/S1070363215020218.
20. БояркинА.Н. Быстрый метод определения активности пероксидазы // Биохимия. 1951. Т. 16. С. 352-355.
21. Bogino Р.С., Oliva М. de las М., Sorroche F.G., Giordano W. The role of bacterial biofilms and surface components in plant-bacterial associations//International Journal of Molecular Sciences. 2013. Vol. 30. N14(8). Pp. 15838-15859. DOI: 10.3390/ijmsl40815838.
22. Рахматулина M.P., Нечаева И. А. Биопленки микроорганизмов и их роль в формировании резистентности к антибактериальным препаратам//Вестник дерматологии и венерологии. 2015. №2. С. 58-62. DOI: 10.25208/00424609-2015-0-2-58-62.
23. Окулич В.К., Кабанова А.А., Плотников Ф.В. Микробные биопленки в клинической микробиологии и антибактериальной терапии. Витебск, 2017. 300 с.
24. Velmourougane К., Prasanna R., Saxena А.К. Agriculturally important microbial biofilms: Present status and future prospects // Journal of Basic Microbiology. 2017. Vol. 57. N7. Pp. 548-573. DOI: 10.1002/jobm.201700046.
25. Danhorn Т., Fuqua C. Biofilm formation by plant-associated bacteria // Annual Review of Microbiology. 2007. Vol. 61. Pp. 401^22. DOI: 10.1146/annurev.micro.61.080706.093316.
26. Дубровина В.И., Медведева С.А., Витязева С.А., Колесникова О.Б., Александрова Г.П., Гуцол JI.O., Гри-щенко JI.А., Четверякова Т.Д. Структура и иммуномодулирующее действие арабиногалакгана лиственницы сибирской и его металлопроизводных. Иркутск, 2007. 145 с.
27. Suzuki N., Koussevitzky S., Mittler R., Miller G. ROS and redox signalling in the response of plants to abiotic stress // Plant Cell And Environment. 2012. Vol. 35. N2. Pp. 259-270. DOI: 10.1111/j. 1365-3040.2011,02336.x.
28. Lehmann S., Serrano M., L'Haridon F., Tjamos S.E., Metraux J.P. Reactive oxygen species and plant resistance to fungal pathogens//Phytochemistry. 2015. Vol. 112. Pp. 54-62. DOI: 10.1016/j.phytochem.2014.08.027.
29. Choudhury F.K., Rivero R.M., Blumwald E., Mittler R. Reactive oxygen species, abiotic stress and stress combination //Plant Journal. 2017. Vol. 90. N5. Pp. 856-867. DOI: 10.1111/tpj.13299.
30. Liebthal M., Dietz K.J. The fundamental role of reactive oxygen species in plant stress response // Methods in Molecular Biology. 2017. Vol. 1631. Pp. 23-39. DOI: 10.1007/978-l-4939-7136-7_2.
Поступила в редакцию 13 декабря 2018 г.
После переработки 11 января 2019 г.
Принята к публикации 31 января 2019 г.
Для цитирования: Граскова И.А., Перфильева А.И., Ножкина O.A., Дьякова A.B., Нурминский В.Н., Клименков И.В., Судаков Н.П., Бородина Т.М., Александрова Г.П., Лесничая М.В., Сухов Б.Г., Трофимов Б.А. Воздействие наноразмерного селена на возбудитель кольцевой гнили и картофель in vitro II Химия растительного сырья. 2019. №3. С. 345-354. DOI: 10.14258/jcprm.2019034794.
Graskova LA.1-2, Perfileva A.I.1*, Nozhkina O.A.1, Dyakova A.V.3, Nurminsky V.N.1, Klimenkov I.V.34, Sudakov NP.3 5, Borodina T.M.6, Aleksandrova G.P.6, Lesnichaya M.V.6, Sukhov B.G.2-6, Trofimov B.A.6THE EFFECT OF NANOSCALE SELENIUM ON THE CAUSATIVE AGENT OF RING ROT AND POTATO IN VITRO
Siberian Institute of Plant Physiology and Biochemistry SB RAS, ul. Lermontova, 132, Irkutsk, 664033 (Russia),
e-mail: [email protected]
2 Irkutsk Scientific Center SB RAS, ul. Lermontova, 134, Irkutsk, 664033 (Russia)
3 Irkutsk State University, ul. Karla Marksa, 1, Irkutsk, 664003 (Russia)
4Limnological Institute SB RAS, ul. Ulan-Batorskaya, 3, Irkutsk, 664033 (Russia)
5 Irkutsk Scientific Center for Surgery and Traumatology, ul. Bortsov Revolyutsii, 1, Irkutsk, 664003 (Russia)
6 Irkutsk A.E. Favorsky Institute of Chemistry SB RAS, ul. Favorskogo, 1, Irkutsk, 664033 (Russia)
The biological activity of biopolymer-based selenium nanocomposite with a high selenium content of 6.4% was investigated. It was shown earlier that nanocomposites of selenium and arabinogalactan (NC Se/AG, 1.23% and 3.4% Se) have a bactericidal and bacteriostatic effect on the pathogenic bacterium Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus (Cms) and do not adversely affect the vitality of potato plants in vitro. In this work, it was shown that the nanocomposite under scrutiny has a bacteriostatic effect, inhibits bacterial growth by 20%) compared with the check variant and reduces the ability of Cms to form biofilms, which contribute to their high resistance to external factors. In the experiments conducted on plants, it was shown, there was not negative effect of NC Se/AG on biometric parameters, furthermore, this NC reduces the negative effect of potato infection with Cms. The nanocomposite reduced the activity of peroxidase and the content of reactive oxygen species in potato tissues. It was established that selenium does not accumulate in potato plants after the treatment with NC Se/AG. The results obtained allow us to consider NC Se/AG (6.4% Se) as an agent for healing cultivated plants from pathogenic bacteria.
Keywords: nanocomposite, arabinogalactan, selenium, potato, Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus, peroxidase.
* Corresponding author.
References
1. Anisimov B.V., Belov G.L., Varitsev YU.A., Yelanskiy S.N, Zhuromskiy G.K., Zavriyev S.K., Zeyruk V.N., Ivanyuk V.G., KuznetsovaM.A., PlyakhnevichM.P., PshechenkovK.A., Simakov Ye.A., SklyarovaN.P., Stashevski Z., Uskov A.I., Yashina I.M. Zashchita kartofelya ot bolezney, vrediteley i sornyakov. [Protecting potatoes from diseases, pests and weeds.]. Moscow, 2009. 272 p. (in Russ.).
2. Eichenlaub R., Gartemann K.H. Annual Review of Phytopathology, 2011, vol. 49, pp. 445^64, DOI: 10.1146/annurev-phyto-072910-095258.
3. Van der Wolf J.M., Elphinstone J.G., Stead D.E., Metzler M., Muller P., Hukkanen A., Kaijalainen R. Epidemiology of Clavibacter michiganensis subsp. sepedonicus in relation to control of bacterial ring rot. Wageningen: Plant Research International B.V., 2005, report 95.
4. Tran P.A., Webster T. International Journal ofNanomedicine, 2011, vol. 6,pp. 1553-1558, DOI: 10.2147/IJN.S21729.
5. Fadeyeva T.V., Shurygina I.A., Sukhov B.G., Rai M.K., Shurygin M.G., Umanets V.A., Lesnichaya M.V., Kon'kova T.V., Shurygin D.M. Izvestiya RAN. Seriya fizicheskaya, 2015, vol. 79, no. 2, pp. 297-299, DOI: 10.7868/S036767651502009X. (in Russ.).
6. Yang X., Yang M., Pang B., Vara M., Xia Y. Chemical Reviews, 2015, vol. 115, no. 19, pp. 10410-10488, DOI: 10.1021 /acs. chemrev. 5b00193.
7. Kolesnikova L.I., Karpova Ye.A., Vlasov BYa., Sukhov B.G., Trofimov B.A. Byullyuten' eksperimental'noy biologii i meditsiny, 2015, vol. 159, no. 2, pp. 183-187, DOI: 10.1007/sl0517-015-2928-3. (in Russ.).
8. Perfil'yeva A.I., Nozhkina O.A., Graskova I.A., Sidorov A.V., Lesnichaya M.V., Aleksandrova G.P., Dolmaa G., Klimenkov I.V., Sukhov B.G. Izvestiya Akademii nauk. Seriya khimicheskaya, 2018, no. 1, pp. 157-163, DOI: 10.31255/978-5-94797-319-8-626-629. (in Russ.).
9. Perfileva A.I., Zhivet'yev M.A., Gasisova A.V., Borovskii G.B., Graskova I.A., Sukhov B.G., Trofimov B.A. Journal of Stress Physiology & Biochemistry, 2016, vol. 12, no. 2, pp. 11-16.
10. Papkina A.V., Perfil'yeva A.I., Zhivet'yev M.A., Borovskiy G.B., Graskova I.A., Lesnichaya M.V., Klimenkov I.V., Sukhov B.G., Trofimov B.A. Doklady akademii nauk, 2015, vol. 461, no. 2, pp. 239-241, DOI: 10.7868/S0869565215030305. (in Russ.).
11. Papkina A.V., Perfileva A.I., Zhivet'yev M.A., Borovskii G.B., Graskova I.A., Klimenkov I.V., Lesnichaya M.V., Sukhov B.G., Trofimov B.A. Nanotechnologies in Russia, 2015, vol. 10, no. 5-6, pp. 484^91, DOI: 10.1134/S1995078015030131.
12. Perfileva A.I., Moty'leva S.M., Klimenkov I.V., Graskova I.A., Skhov B.G., Trofimov B.A. Nanotechnologies in Russia, 2017, vol. 12, no. 9-10, pp. 553-558, DOI: 10.1134/S1995078017050093.
13. Romanenko A.S., Riffel A.A., Graskova I.A., Rachenko M.A. Journal of Phytopatholog, 1999, vol. 147, no. 11-12, pp. 679-686, DOI: 10.1046/j.l439-0434.1999.00450.x.
14. Roozen N.J.M., van Vuurde J.W.L. Journal of Plant Pathology, 1991, vol. 97, no. 5, pp. 321-334.
15. Florack D.E., Visser B., de Vries P.M., van Vuurde J.W.L., Stiekema W.J. Netherlands Journal of Plant Pathology, 1993, vol. 99, no. 5-6, pp. 259-268.
16. Shaginyan I.A., Danilina G.A., Chernukha MYU., Alekseyeva G.V., Batov A.B. Zhurnal mikrobiologii, epidemio-logii i immunobiologii, 2007, no. 1, pp. 3-8. (in Russ.).
17. Patent 2557992 (RU). 2015. (in Russ.).
18. Shurygina I.A., RodionovaL.V., Shurygin M.G., Sukhov B.G., Kuznetsov S.V., PopovaL.G., DreminaN.N. Iz-vestiya RAN. Seriya fizicheskaya, 2015, vol. 79, no. 2, pp. 280-282, DOI: 10.7868/S0367676515020271. (in Russ.).
19. Rodionova L.V., Shurygina I.A., Sukhov B.G., Popova L.G., Shurygin M.G., Artem'yev A.V., Pogodayeva N.N., Kuznetsov S.V., Gusarova N.K., Trofimov B.A. Zhurnal obshchey khimii, 2015, vol. 85, no. 2, pp. 314-316, DOI: 10.1134/S1070363215020218. (in Russ.).
20. Boyarkin A.N. Biokhimiya, 1951, vol. 16, pp. 352-355. (in Russ.).
21. Bogino P.C., Oliva M. de las M., Sorroche F.G., Giordano W. International Journal of Molecular Sciences, 2013, vol. 30, no. 14(8), pp. 15838-15859, DOI: 10.3390/ijmsl40815838.
22. Rakhmatulina M.R., Nechayeva I.A. Vestnik dermatologii i venerologii, 2015, no. 2, pp. 58-62, DOI: 10.25208/00424609-2015-0-2-58-62. (in Russ.).
23. Okulich V.K., Kabanova A.A., Plotnikov F.V. Mikrobnyye bioplenki v klinicheskoy mikrobiologii i antibakterial'noy terapii. [Microbial biofilms in clinical microbiology and antibiotic therapy], Vitebsk, 2017, 300 p. (in Russ.).
24. Velmourougane K., PrasannaR., Saxena A.K. Journal of Basic Microbiology, 2017, vol. 57, no. 7, pp. 548-573, DOI: 10.1002/jobm.201700046.
25. Danhorn T., Fuqua C. Annual Review of Microbiology, 2007, vol. 61, pp. 401^22, DOLlO.l 146/annurev.micro.61.080706.093316.
26. Dubrovina V.l., Medvedeva S.A., Vityazeva S.A., Kolesnikova O.B., Aleksandrova G.P., Gutsol L.O., Gri-shchenko L.A., Chetveryakova T.D. Struktura i immunomoduliruyushcheye deystviye arabinogalaktana listvennitsy sibirskoy i yego metalloproizvodnykh. [Structure and immunomodulatory effect of arabinogalactan of Siberian larch and its metal derivatives], Irkutsk, 2007, 145 p. (in Russ.).
27. Suzuki N, Koussevitzky S., Mittler R., Miller G. Plant Cell. And Environment, 2012, vol. 35, no. 2, pp. 259-270, DOI: 10.1111/j.1365-3040.2011.02336.x.
354
H.A. TPACKOBA, A.H. IlEPOHJIBEBA, O.A. HO)KKHHA H flP.
28. Lehmann S., Serrano M., L'Haridon F., Tjamos S.E., Metraux J.P. Phytochemistry, 2015, vol. 112, pp. 54-62, DOI: 10.1016/j .phytochem.2014.08.027.
29. Choudhury F.K., Rivero R.M., Blumwald E., Mittler R. Plant Journal, 2017, vol. 90, no. 5, pp. 856-867, DOI: 10.1111/tpj.13299.
30. Liebthal M., Dietz K.J. Methods in Molecular Biology, 2017, vol. 1631, pp. 23-39, DOI: 10.1007/978-1-4939-713612.
Received December 13, 2018 Revised January 11, 2019 Accepted January 31, 2019
For citing: Graskova I.A., Perfileva A.I., Nozhkina O.A., Dyakova A.V., Nurminsky V.N., Klimenkov I.V., Suda-kovN.P., Borodina T.M., Aleksandrova G.P., Lesnichaya M.V., Sukhov B.G., Trofimov B.A. Khimiya Rastitel'nogo Syr'ya, 2019, no. 3, pp. 345-354. (in Russ.). DOI: 10.14258/jcprm.2019034794.
