Тkachenko, Т., Furmanets, S., Galuzinskyi, M., Ritter, U., & Prylutska, S.
(2024).
Effect of fullerene C60 on morphometric parameters of microgreen peas (Pisum sativum) under water deficit conditions.
Biological Systems: Theory and Innovation,
15(3),
41-52.
https://doi.org/10.31548/biologiya/3.2024.41
Біологічні системи: теорія та інновації
Вплив фулерену С60 на морфометричні показники мікрозелені гороху (Pisum sativum) за умов водного дефіциту
Тетяна Ткаченко, Станіслав Фурманець, Микола Галузінський, Уве Ріттер, Cвітлана ПрилуцькаАнотація
Актуальність роботи полягає у вивченні впливу абіотичних чинників, зокрема фулерену C60 та посухи на морфометричні показники мікрозелені гороху. Посуха негативно впливає на ріст і розвиток сільськогосподарських рослин, що знижує їх врожайність. Вуглецеві наночастинки, зокрема фулерен С60, можна використовувати як модулятор стійкості стресових умов для покращення перебігу фізіологічних та біохімічних процесів як на рівні клітини, так і організму рослин. Однак, внутрішньоклітинні механізми взаємодії вуглецевих наночастинок з рослинами є недостатньо вивчені. Метою роботи було дослідити вплив фулерену С60 на морфометричні показники мікрозелені гороху (Pisum sativum) сорту ECO за водного дефіциту. У роботі використано структуровані водорозчинні вуглецеві наночастинки фулерену С60. Було оцінено такі морфометричні показники мікрозелені гороху як висота пагона, діаметр пагона, кількість листя, маса листя, маса рослини та довжина кореня. Дослідження проводилися на 14 день після обробки насіння гороху водним розчином фулерену С60 за концентрацій 0.1, 0.2, 0.5 та 1.0 мкг/мл та висаджених на різних субстратах – лляних килимках і ґрунтосуміші. У роботі було використано хімічні, фізичні та фізіологічні методи. Було показано, що на 14 день після пророщення насіння гороху у контролі (за умов регулярного поливу) на різних субстратах спостерігаються відмінності у морфометричних показниках. Фулерен C60 за концентрацій (0.1-1.0) мкг/мл не спричиняв негативного фітотоксичного впливу на мікрозелень гороху. Тоді як фізіологічний стан мікрозелені гороху сорту ECO індукований посухою відновлювався за попередньої обробки насіння розчином фулерену С60. Відсутність фітотоксичних ефектів та захисні ефекти фулерену С60 від індукованої посухи у мікрозелені гороху свідчить про перспективність використання структурованих вуглецевих наночастинок у агробіотехнологіях для регуляції механізмів стресостійкості у сільськогосподарських культур
Ключові слова
сільськогосподарські рослини; вуглецеві; наночастинки; посуха; молоді паростки
ЦИТУВАТИ
Використані джерела
[1] Abbass, K., Qasim, M.Z., Song, H., Murshed, M., Mahmood, H., & Younis, I. (2022). A review of the global climate change impacts, adaptation, and sustainable mitigation measures. Environmental Science and Pollution Research, 29, 42539-42559. doi: 10.1007/s11356-022-19718-6.
[2] Ahmadi, S.Z., Zahedi, B., Ghorbanpour, M., & Mumivand, H. (2024). Comparative morphophysiological and biochemical responses of Capsicum annuum L. plants to multi-walled carbon nanotubes, fullerene C60 and graphene nanoplatelets exposure under water deficit stress. BMC Plant Biology, 24(1), article number 116. doi: 10.1186/s12870-024-04798-y.
[3] Ault, T.R. (2020). On the essentials of drought in a changing climate. Science, 368(6488), 256-260. doi: 10.1126/science.aaz5492.
[4] Basal, O., Szabó, A., & Veres, S. (2020). PEG-induced drought stress effects on soybean germination parameters. Journal of Plant Nutrition, 43(12), 1768-1779. doi: 10.1080 /01904167.2020.1750638.
[5] Gaur, M., Misra, C., Yadav, A.B., Swaroop, S., Maolmhuaidh, F.Ó., Bechelany, M., & Barhoum, A. (2021). Biomedical applications of carbon nanomaterials: Fullerenes, quantum dots, nanotubes, nanofibers, and graphene. Materials, 14(20), article number 5978. doi: 10.3390/ma14205978.
[6] Gopalakrishnan, N. (2018). Toxicological impact of Carbon nanomaterials on plants. In K. Gothandam, S. Ranjan, N. Dasgupta, C. Ramalingam & E. Lichtfouse (Eds.), Nanotechnology, food security and water treatment (pp. 163-183). Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-319-70166-0_5.
[7] Gupta, A., Rico-Medina, A., & Caño-Delgado, A.I. (2020). The physiology of plant responses to drought. Science, 368(6488), 266-269. doi: 10.1126/science. aaz7614.
[8] Haile, G.G., Tang, Q., Li, W., Liu, X., & Zhang, X. (2019). Drought: Progress in broadening its understanding. WIREs Water, 7(2), article number e1407. doi: 10.1002/wat2.1407.
[9] He, A., Jiang, J., Ding, J., & Sheng, G.D. (2021). Blocking effect of fullerene nanoparticles (nC60) on the plant cell structure and its phytotoxicity. Chemosphere, 278, article number 130474. doi: 10.1016/j. chemosphere.2021.130474.
[10] Hoffmann, A.A., et al. (2018). Impacts of recent climate change on terrestrial flora and fauna: Some emerging Australian examples. Austral Ecology, 44(1), 3-27. doi: 10.1111/aec.12674.
[11] Ingrao, C., Strippoli, R., Lagioia, G., & Huisingh, D. (2023). Water scarcity in agriculture: An overview of causes, impacts and approaches for reducing the risks. Heliyon, 9(8), article number e18507. doi: 10.1016/j.heliyon.2023.e18507.
[12] Jafarnia, S., Akbarinia, M., Hosseinpour, B., Modarres, S.S., & Salami, S. (2018). Effect of drought stress on some growth, morphological, physiological, and biochemical parameters of two different populations of Quercus brantii. iForest – Biogeosciences and Forestry, 11(2), 212-220. doi: 10.3832/ ifor2496-010.
[13] Joshi, A., Kaur, S., Dharamvir, K., Nayyar, H., & Verma, G. (2018a). Multi-walled carbon nanotubes applied through seed-priming influence early germination, root hair, growth and yield of bread wheat (Triticum aestivum L.). Journal of the Science of Food and Agriculture, 98(8), 3148-3160. doi: 10.1002/ jsfa.8818.
[14] Joshi, A., Kaur, S., Singh, P., Dharamvir, K., Nayyar, H., & Verma, G. (2018b). Tracking multi-walled carbon nanotubes inside oat (Avena sativa L.) plants and assessing their effect on growth, yield, and mammalian (human) cell viability. Applied Nanoscience, 8(6), 1399-1414. doi: 10.1007/s13204-0180801-1.
[15] Juárez-Cisneros, G., Gómez-Romero, M., De la Cruz, R.H., Campos-García, J., & Villegas, J. (2020). Multi-walled carbon nanotubes produced after forest fires improve germination and development of Eysenhardtia polystachya. PeerJ, 8, article number e8634. doi.org/10.7717/peerj.8634.
[16] Khorrami, S.K., Rashid, J., Soroush, K., Reza, D., & Siavash, H. (2020). The multi-walled carbon nanotubes induced anatomical and morphological changes in root and shoot of two cultivars of okra (Hibiscus escolentus L.) seedlings. Journal of Plant Process and Function Iranin Society of Plant Physiology, 8(34), 27-36.
[17] Kirichenko, V.V., Posylayeva, O.O., Kobzyeva, L.N., & Goptsiy, T.I. (2016). Soybean breeding for heat and drought resistance. Kharkiv: Kharkiv National Agrarian University.
[18] Kovač, T., Marček, T., Šarkanj, B., Borišev, I., Ižaković, M., Jukić, K., & Krska, R. (2021). Fullerol C60(OH)24 nanoparticles and drought impact on wheat (Triticum aestivum L.) during growth and infection with Aspergillus flavus. Journal of Fungi, 7(3), article number 236. doi: 10.3390/jof7030236.
[19] Lynch, J.P. (2018). Rightsizing root phenotypes for drought resistance. Journal of Experimental Botany, 69(13), 3279-3292. doi: 10.1093/jxb/ery048.
[20] Michell, K.A., et al. (2020). Microgreens: Consumer sensory perception and acceptance of an emerging functional food crop. Journal of Food Science, 85(4), 926-935. doi: 10.1111/1750-3841.15075.
[21] Mukarram, M., Choudhary, S., Kurjak, D., Petek, A., & Khan, M.M.A. (2021). Drought: Sensing, signalling, effects and tolerance in higher plants. Physiologia Plantarum, 172(2), 1291-1300. doi: 10.1111/ppl.13423.
[22] Penkovskа, L. (2019). Morphometric characters of Plantago major L. (Plantaginaceae) in different phytocoenoses of Shostka geobotanical district of Sumy Region (Ukraine). Lesia Ukrainka Eastern European National University Scientific Bulletin. Series: Biological Sciences, 4(388), 24-29. doi: 10.29038/2617-4723-2019-388-4-38-46.
[23] Priadkina, G.O., Makharynska, N.M., & Sokolovska-Sergienko, O.G. (2022). Influence of drought on photosynthetic traist of wheat plants. Plant Physiology and Genetics, 54(6), 463-483. doi: 10.15407/ frg2022.06.463.
[24] Prylutska, S.V., Franskevych, D.V., & Yemets, A.I. (2022). Cellular biological and molecular genetic effects of carbon nanomaterials in plants. Cytology and Genetic, 56(4), 351-360. doi: 10.3103/ S0095452722040077.
[25] Prylutskyi, Y.I., Ilchenko, O.V., Tsymbaliuk, O.V., & Kosterin, S.O. (2017). Statistical methods in biology. Kyiv: Scientific Thought.
[26] Rezayian, M., Niknam, V., & Ebrahimzadeh, H. (2018). Effects of drought stress on the seedling growth, development, and metabolic activity in different cultivars of canola. Soil Science and Plant Nutrition, 64(3), 360-369. doi: 10.1080/00380768.2018.1436407.
[27] Riley, P.R., & Narayan, R.J. (2021). Recent advances in carbon nanomaterials for biomedical applications: A review. Current Opinion in Biomedical Engineering, 17, article number 100262. doi: 10.1016/j.cobme.2021.100262.
[28] Schuetze, C., Ritter, U., Scharff, P., Fernekorn, U., Prylutska, S., Bychko, A., & Prylutskyy, Y. (2011). Interaction of N-fluorescein-5-isothiocyanate pyrrolidine-C60 with a bimolecular lipid model membrane. Materials Science and Engineering: C, 31(5), 1148-1150. doi: 10.1016/j.msec.2011.02.026.
[29] Seleiman, M.F., et al. (2021). Drought stress impacts on plants and different approaches to alleviate its adverse effects. Plants, 10(2), article number 259. doi: 10.3390/plants10020259.
[30] Sowing peas. (2018). Retrieved from https://agrarii-razom.com.ua/culture-variety/eso.
[31] United Nations Convention No. 995_030 “On the Conservation of Biological Diversity”. (1992, February). Retrieved from https://zakon.rada.gov.ua/laws/show/995_030#Text.
[32] Universal soil mixture. (n.d.). Retrieved from http://floriada.com.ua/g_universal.php.
[33] Wasaya, A., Zhang, X., Fang, Q., & Yan, Z. (2018). Root phenotyping for drought tolerance: A review. Agronomy, 8(11), article number 241. doi: 10.3390/agronomy8110241.
[34] Xiong, J.-L., Li, J., Wang, H.-C., Zhang, C.-L., & Naeem, M.S. (2018). Fullerol improves seed germination, biomass accumulation, photosynthesis and antioxidant system in Brassica napus L. under water stress. Plant Physiology and Biochemistry, 129, 130-140. doi: 10.1016/j.plaphy.2018.05.026.
[35] Yang, X., Lu, M., Wang, Y., Wang, Y., Liu, Z., & Chen, S. (2021). Response mechanism of plants to drought stress. Horticulturae, 7(3), article number 50. doi: 10.3390/horticulturae7030050.