vestibИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия биологических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Biological Series1029-89402524-230XThe Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"10.29235/1029-8940-2023-68-1-15-26vestib-846Research ArticleСтатьиВлияние стабилизированных хитозаном наночастиц серебра на физиолого-биохимическое состояние растений картофеля (Solanum tuberosum L.) в культуре in vitroInfluence of chitosan-stabilized silver nanoparticles on the physiological and biochemical state of potato plants (Solanum tuberosum L.) in vitro cultureЕловскаяН. А.YalouskayaN. A.

Еловская Нинель Анатольевна – аспирант

ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск

Ninel A. Yalouskaya – Postgraduate student

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

yalouskaya92@mail.ruКалацкаяЖ. Н.KalatskajaJ. N.

Калацкая Жанна Николаевна – канд. биол. наук, доцент, вед. науч. сотрудник

ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск

Joanna N. Kalatskaja – Ph. D. (Biol.), Associate Professor, Leading Researcher

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

kalatskayaj@mail.ruЛаманН. А.LamanN. A.

Ламан Николай Афанасьевич – академик, д-р биол. наук, профессор, заведующий лабораторией

ул. Академическая, 27, 220072, г. Минск

Nikolai A. Laman – Academician, D. Sc. (Biol.), Professor, Head of the Laboratory

27, Akademicheskaya Str., 220072, Minsk

nikolai.laman@gmail.comГилевскаяК. С.HileuskayaK. S.

Гилевская Ксения Сергеевна – канд. хим. наук, доцент, вед. науч. сотрудник

ул. Ф. Скорины, 36, 2200141, г. Минск

Kseniya S. Hileuskaya – Ph. D. (Chem.), Associate Professor, Leading Researcher

36, F. Skorina Str., 220141, Minsk

k_hilevskay@mail.ruКрасковскийА. Н.KraskouskiA. N.

Красковский Александр Николаевич – канд. хим. наук, ст. науч. сотрудник

ул. Ф. Скорины, 36, 2200141, г. Минск

Aliaksandr N. Kraskouski – Ph. D. (Chem.), Senior Researcher

36, F. Skorina Str., 220141, Minsk

aleks.kraskovsky@gmail.comКуликовскаяВ. И.KulikouskayaV. I.

Куликовская Виктория Игоревна – канд. хим. наук, доцент, заведующий лабораторией

ул. Ф. Скорины, 36, 2200141, г. Минск

Viktoryia I. Kulikouskaya – Ph. D. (Chem.), Associate Professor, Head of the Laboratory

36, F. Skorina Str., 220141, Minsk

kulikouskaya@gmail.comИнститут экспериментальной ботаники им. В. Ф. Купревича НАН БеларусиV. F. Kuprevich Institute of Experimental Botany of the National Academy of Sciences of BelarusИнститут химии новых материалов НАН БеларусиInstitute of Chemistry of New Materials of the National Academy of Sciences of Belarus2023100220236811526Copyright © Еловская Н.А., Калацкая Ж.Н., Ламан Н.А., Гилевская К.С., Красковский А.Н., Куликовская В.И., 20232023Еловская Н.А., Калацкая Ж.Н., Ламан Н.А., Гилевская К.С., Красковский А.Н., Куликовская В.И.Yalouskaya N.A., Kalatskaja J.N., Laman N.A., Hileuskaya K.S., Kraskouski A.N., Kulikouskaya V.I.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestibio.belnauka.by/jour/article/view/846

В статье рассматривается влияние нанокомпозитов (НК) на основе серебросодержащего хитозана, массовое соотношение хитозан-Ag 50:1 (Хит-Ag 50:1) и 100:1 (Хит-Ag 100:1), внесенных в питательную среду культивирования в разведениях 1:500 и 1:1000, на развитие микропобегов и микроклонов картофеля сорта Бриз (Solanum tuberosum L.). При клонировании растений-регенерантов картофеля и культивировании микропобегов непосредственно на модифицированных питательных средах выявлен ингибирующий эффект НК на развитие микроклонов, индукции ризогенеза не наблюдалось. При пересадке 3-недельных микроклонов картофеля с развитой корневой системой на питательные среды, модифицированные НК Хит-Ag 50:1, выявлено замедление роста и развития микроклонов по сравнению с контролем и при внесении хитозана. Включение Хит-Ag 100:1 в питательную среду не влияло на рост микроклонов по сравнению с контролем, однако биомасса корней снижалась по сравнению с таковой при внесении чистого хитозана. Сохранение содержания пролина на уровне контрольного варианта при снижении количества образующейся перекиси водорода свидетельствует об отсутствии стрессовой реакции сформированных микроклонов картофеля на исследуемые хитозан-Ag нанокомпозитные смеси. Вероятно, более плотная оболочка, образующаяся при увеличении массового содержания хитозана в НК, способствует замедлению генерации ионов серебра Ag+ и снижает их токсичность.

The article contains the results of study of the influence of added to culture medium silver-containing chitosan- based nanocomposites (Chitosan-Ag) at a dilution of 1:500 and 1:1000 (the mass ratio of the components is 50:1 for Chit- Ag 50:1 and 100:1 for Chit-Ag 100:1) on the development of potato microshoots and microclones with a formed root system. Potato microshoots cultivated for 4 weeks on nutrient medium modified with nanocomposites were characterized by slow development and the absence of rhizogenesis, which indicates the toxic effect of the studied nanocomposite concentrations. When replacing the standard nutrient medium with nanocomposites modified for a potato microclone with developed roots, the Chit-Ag 50:1 reduced the rate of growth and development of microclones compared to control and pure chitosan. The Chit- Ag 100:1 nanocomposite had no influence on the microclone growth compared to the control, but reduced the root biomass compared to chitosan. The preservation of photosynthetic pigments and proline concentrations with decreasing the hydrogen peroxide level indicates the absence of the toxic effect of silver-containing chitosan-based nanocomposites on the formed potato microclones. The chitosan concentration increase in the nanocomposite composition helps us to reduce the toxic effect due to the formation of a dense stabilizing shell that delays the silver ion generation.

картофельхитозансеребросодержащие нанокомпозитыin vitroрост и развитиефотосинтетические пигментыпролинперекись водородаpotatochitosansilver-containing nanocompositesin vitrogrowth and developmentphotosynthetic pigmentsprolinehydrogen peroxideРабота выполнена при частичной поддержке БРФФИ, грант Б21В-002.Тhis work was supported in part by the BRFFR, grant B21V-002.ReferencesКамская, В. Е. Хитозан: структура, свойства и использование / В. Е. Камская // Науч. обозрение. Биол. науки. – 2016. – № 6. – С. 36–42.Kamskaya V. E. Chitosan: structure, properties and using. Nauchnoe obozrenie. Biologicheskie nauki [Scientific review. Biological sciences], 2016, no. 6, pp. 36–42 (in Russian).Тютерев, С. Л. Экологически безопасные индукторы устойчивости растений к болезням и физиологическим стрессам / С. Л. Тютерев // Вестн. защиты растений. – 2015. – № 1 (83). – С. 3–13.Tyuterev S. L. Ecologically safe inducers of plant resistance to diseases and physiological stresses. Vestnik zashchity rastenii = Plant protection news, 2015, no. 1 (83), pp. 3–13 (in Russian).Evaluation of quaternary ammonium chitosan derivatives differing in the length of alkyl side-chain: Synthesis and antifungal activity / L. Wei [et al.] // Int. J. Biol. Macromol. – 2019. – Vol. 129. – P. 1127–1132. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.09.099Wei L., Mi Y., Zhang J., Li Q., Dong F., Guo Z. Evaluation of quaternary ammonium chitosan derivatives differing in the length of alkyl side-chain: Synthesis and antifungal activity. International Journal of Biological Macromolecules, 2019, vol. 129, pp. 1127–1132. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2018.09.099Хитин/хитозан и его производные: фундаментальные и прикладные аспекты / В. П. Варламов [и др.] // Успехи биол. химии. – 2020. – Т. 60. – С. 317–368.Varlamov V. P., Il’ina A. V., Shagdarova B. C., Lun’kov A. P., Mysyakina I. S. Chitin/chitosan and its derivatives: fundamental and applied aspects. Uspekhi biologicheskoi khimii [Advances in biological chemistry], 2020, vol. 60, pp. 317–368 (in Russian).Павлова, Н. А. Биологическая эффективность некоторых индукторов болезнеустойчивости в системе оздоровления и защиты картофеля от болезней в оригинальном семеноводстве / Н. А. Павлова // Вестн. защиты растений. – 2015. – № 3 (85). – С. 21–26.Pavlova N. A. Biological efficiency of some disease resistance inductors in the system of rehabilitation and protection of potato against diseases in original seedage. Vestnik zashchity rastenii = Plant protection news, 2015, no. 3 (85), pp. 21–26 (in Russian).Васюкова, Н. И. Индуцированная устойчивость растений и салициловая кислота / Н. И. Васюкова, О. Л. Озерецковская // Прикладная биохимия и микробиология. – 2007. – Т. 43, № 4. – С. 405–411.Vasyukova N. I., Ozeretskovskaya O. L. Induced plant resistance and salicylic acid: a review. Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya [Applied biochemistry and microbiology], 2007, vol. 43, no. 4, pp. 405–411 (in Russian).Баданова, Е. Г. Препараты на основе хитозана для сельского хозяйства / Е. Г. Баданова, И. М. Давлетбаев, А. С. Сироткин // Вестн. технол. ун-та. – 2016. – Т. 19, № 16. – С. 89–95.Badanova E. G., Davletbaev I. M., Sirotkin A. S. Preparations based on chitosan for agriculture. Vestnik Tekhnologicheskogo universiteta [Bulletin of the Technological University], 2016, vol. 19, no. 16, pp. 89–95 (in Russian).Chitosan as a growth stimulator in orchid tissue culture / K. L. Nge [et al.] // Plant Sci. – 2006. – Vol. 170, N 6. – P. 1185–1190. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2006.02.006Nge K. L., Nwe N., Chandrkrachang S., Stevens W. F. Chitosan as a growth stimulator in orchid tissue culture. Plant Science, 2006, vol. 170, no. 6, pp. 1185–1190. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2006.02.006Asghari-Zakaria, R. Effect of in vitro chitosan application on growth and minituber yield of Solanum tuberosum L. // R. Asghari-Zakaria, B. Maleki-Zanjani, E. Sedghi // Plant Soil Environment. – 2009. – Vol. 55, N 6. – P. 252–256. https://doi. org/10.17221/1018-pseAsghari-Zakaria R., Maleki-Zanjani B., Sedghi E. Effect of in vitro chitosan application on growth and minituber yield of Solanum tuberosum L. Plant Soil and Environment, 2009, vol. 55, no. 6, pp. 252–256. https://doi.org/10.17221/1018-pseChitosan in plant protection / A. El Hadrami [et al.] // Marine Drugs. – 2010. – Vol. 8, N 4. – P. 968–987. https://doi.org/10.3390/md8040968El Hadrami A., Adam L. R., El Hadrami I., Daayf F. Chitosan in plant protection. Marine Drugs, 2010, vol. 8, no. 4, pp. 968–987. https://doi.org/10.3390/md8040968Chirkov, S. N. The antiviral activity of chitosan (review) / S. N. Chirkov // Appl. Biochem. Microbiol. – 2002. – Vol. 38, N 1. – P. 1–8. https://doi.org/10.1023/A:1013206517442Chirkov S. N. The antiviral activity of chitosan. Applied Biochemistry and Microbiology, 2002, vol. 38, no. 1, pp. 1–8. https://doi.org/10.1023/A:1013206517442Differential phytotoxic responses of silver nitrate (AgNO3) and silver nanoparticles (AgNPs) in Cucumis sativus L. / A. Tripathi [et al.] // Plant Gene. – 2017. – Vol. 11, Pt. B. – P. 255–264. https://doi.org/10.1016/j.plgene.2017.07.005Tripathi A., Liu S., Singh P. K., Kumar N., Pandey A. Ch., Tripathi D. K., Chauhan D. K., Sahi Sh. Differential phytotoxic responses of silver nitrate (AgNO3) and silver nanoparticles (AgNPs) in Cucumis sativus L. Plant Gene, 2017, vol. 11, pt. B, pp. 255–264. https://doi.org/10.1016/j.plgene.2017.07.005Physiological and biochemical responses of pearl millet (Pennisetum glaucum L.) seedlings exposed to silver nitrate (AgNO3) and silver nanoparticles (AgNPs) / I. Khan [et al.] // Int. J. Environ. Res. Public Health. – 2019. – Vol. 16, N 13. – Art. 2261. https://doi.org/10.3390/ijerph16132261Khan I., Raza M. A., Bin Khalid M. H., Awan S. A., Raja N. I., Zhang X., Min S., Wu B. Ch., Hassan M. J., Huang L. Physiological and biochemical responses of pearl millet (Pennisetum glaucum L.) seedlings exposed to silver nitrate (AgNO3) and silver nanoparticles (AgNPs). International Journal of Environmental Research and Public Health, 2019, vol. 16, no. 13, art. 2261. https://doi.org/10.3390/ijerph16132261Role of nanoparticles in plants / M. H. Siddiqui [et al.] // Nanotechnology and Plant Sciences / eds. : M. Siddiqui, M. Al-Whaibi, F. Mohammad. – Cham, 2015. – P. 19–35.Siddiqui M. H., Al-Whaibi M. H., Firoz M., Al-Khaishany M. Y. Role of nanoparticles in plants. Nanotechnology in Plant Science. Cham, 2015, pp. 19–35.Препарат «Зерокс» на основе химически модифицированного высокодисперсного серебра как элемент эффективной борьбы с бактериальными и грибными эпифитотиями сельскохозяйственно значимых растений / П. М. Жеребин [и др.] // Защита картофеля. – 2014. – № 2. – С. 43–45.Zherebin P. M., Ignatov A. N., Elanskii S. N., Pobedinskaya M. A., Lisichkin G. V., Denisov A. N., Krutyakov Yu. A. “Zeroks”-silver-based preparate for an effective control of bacterial and fungal epidemic diseases of agricultural plants. Zashchita kartofelya [Potato protection], 2014, no. 2, pp. 43–45 (in Russian).Дыкман, Л. А. Взаимодействие растений с наночастицами благородных металлов / Л. А. Дыкман, С. Ю. Щёголев // Сельскохозяйств. биология. – 2017. – Т. 52, № 1. – С. 13–24.Dykman L. A., Shchegolev S. Yu. Interactions of plants with noble metal nanoparticles (review). Sel’skokhozyaistvennaya biologiya [Agricultural biology], 2017, vol. 52, no. 1, pp. 13–24 (in Russian).Murashige, T. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures / T. Murashige, F. Skoog // Physiologia Plantarum. – 1962. – Vol. 15, N 3. – P. 473–497. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.xMurashige T., Skoog F.A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarum, 1962, vol. 15, no. 3, pp. 473–497. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.xШлык, А. А. Определение хлорофиллов и каротиноидов в экстрактах зеленых листьев / А. А. Шлык // Биохимические методы в физиологии растений : сб. ст. / отв. ред. О. А. Павлинова. – М., 1971. – С. 154–170.Shlyk A. A. Determination of chlorophylls and carotenoids in green leaf extracts. Biochemical methods in plant physiology: collection of articles. Moscow, 1971, pp. 154–170 (in Russian).Extracellular H2O2 induced by Oligagalacturonides is not involved in the inhibition of the auxin-regulated roIB gene expression in tobacco leaf explants / D. Bellincampi [et al.] // Plant Physiol. – 2000. – Vol. 122, N 4. – P. 1379–1385. https://doi.org/10.1104/pp.122.4.1379Bellincampi D., Dipierro N., Salvi G., Cervone F., De Lorenzo G. Extracellular H2O2 induced by Oligagalacturonides is not involved in the inhibition of the auxin-regulated roIB gene expression in tobacco leaf explants. Plant Physiology, 2000, vol. 122, no. 4, pp. 1379–1385. https://doi.org/10.1104/pp.122.4.1379Bates, L. S. Rapid determination of free proline for water-stress studies / L. S. Bates, R. P. Waldren, J. D. Teare // Plant Soil. – 1973. – Vol. 39, N 1. – P. 205–207. https://doi.org/10.1007/bf00018060Bates L. S., Waldren R. P., Teare J. D. Rapid determination of free proline for water-stress studies. Plant and Soil, 1973, vol. 39, no. 1, pp. 205–207. https://doi.org/10.1007/bf00018060Макеева, И. Ю. Физиолого-биохимические ответы Solanum tuberosum на действие кофейной кислоты : дис. … канд. биол. наук : 03.01.05 / И. Ю. Макеева. – Орел, 2017. – 122 л.Makeeva I. Yu. Physiological and biochemical responses of Solanum tuberosum to the action of caffeic acid. Ph. D. diss. Orel, 2017. 122 p. (in Russian).Влияние нанокомпозитов на основе серебросодержащего хитозана на развитие микроклонов растений картофеля / Н. А. Еловская [и др.] // Проблемы оценки, мониторинга и сохранения биоразнообразия : сб. материалов IV Респ. науч.-практ. экол. конф., Брест, 25 нояб. 2021 г. / Брест. гос. ун-т им. А. С. Пушкина ; редкол. : Н. М. Матусевич, Н. В. Шкуратова, М. В. Левковская. – Брест, 2021. – С. 121–125.Elovskaya N. A., Kalatskaya Zh. N., Nedved’ E. L., Gilevskaya K. S. The influence of silver-containing chitosanbased nanoparticles on the development of potato microclones. Problemy otsenki, monitoringa i sokhraneniya bioraznoobraziya: sbornik materialov IV Respublikanskoi nauchno-prakticheskoi ekologicheskoi konferentsii (Brest, 25 noyabrya 2021) [Problems of assessment, monitoring and conservation of biodiversity: collection of materials of the IV Republican scientific and practical ecological conference (Brest, November 25, 2021)]. Brest, 2021, pp. 121–125 (in Russian).Эрастова, М. А. Изучение процесса ризогенеза растений картофеля in vitro / М. А. Эрастова, Ю. Н. Федорова // Вестн. Алтайск. гос. аграр. ун-та. – 2009. – № 5 (55). – С. 21–23.Erastova M. A., Fedorova Yu. N. Study of rhizogenesis of potato mini-plants in vitro. Vestnik Altaiskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta [Bulletin of Altai State Agricultural University], 2009, no. 5 (55), pp. 21–23 (in Russian).Physiological analysis of silver nanoparticles and AgNO3 toxicity to Spirodela polyrhiza / H. Sh. Jiang [et al.] // Environ. Toxicol. Chem. – 2012. – Vol. 31, N 8. – P. 1880–1886. https://doi.org/10.1002/etc.1899Jiang H. Sh., Li M., Chang F. Y., Li W., Yin L. Y. Physiological analysis of silver nanoparticles and AgNO3 toxicity to Spirodela polyrhiza. Environmental Toxicology and Chemistry, 2012, vol. 31, no. 8, pp. 1880–1886. https://doi.org/10.1002/ etc.1899Engineered silver nanoparticles are sensed at the plasma membrane and dramatically modify the physiology of Arabidopsis thaliana plants / A. Sosan [et al.] // Plant J. – 2016. – Vol. 85, N 2. – P. 245–257. https://doi.org/10.1111/tpj.13105Sosan A., Svistunenko D., Straltsova D., Tsiurkina K., Anderson D., Sokolik A., Colbeck I., Demidchik V. Engineered silver nanoparticles are sensed at the plasma membrane and dramatically modify the physiology of Arabidopsis thaliana plants. Plant Journal, 2016, vol. 85, no. 2, pp. 245–257. https://doi.org/10.1111/tpj.13105Stampoulis, D. Assay-dependent phytotoxicity of nanoparticles to plants / D. Stampoulis, S. K. Sinha, J. C. White // Environ. Sci. Technol. – 2009. – Vol. 43, N 24. – P. 9473–9479. https://doi.org/10.1021/es901695cStampoulis D., Sinha S. K., White J. C. Assay-dependent phytotoxicity of nanoparticles to plants. Environmental Science and Technology, 2009, vol. 43, no. 24, pp. 9473–9479. https://doi.org/10.1021/es901695cО биологической активности стабилизированных арабиногалактаном наночастиц серебра в отношении кресссалата Lepidium sativum L. Curled и фитопатогенного микромицета Fusarium sambucinum / О. И. Гудкова [и др.] // Сельскохозяйств. биология. – 2021. – Т. 56, № 3. – С. 500–510.Gudkova O. I., Bobkova N. V., Fel’dman N. B., Luferov A. N., Gromovykh T. I., Samylina I. A., Ananyan M. A., Lutsenko S. V. Study of the biological activity of arabinogalactan-stabilized silver nanoparticles towards watercress Lepidium sativum L. Curled and plant pathogenic micromycete Fusarium sambucinum. Sel’skokhozyaistvennaya biologiya [Agricultural biology], 2021, vol. 56, no. 3, pp. 500–510 (in Russian).Бугара, И. А. Особенности влияния композиций наносеребра на процессы морфогенеза в культуре картофеля in vitro / И. А. Бугара, С. Н. Жалдак, Р. В. Трускавецкий // Sci. Time. – 2015. – № 11 (23). – С. 87–91.Bugara I. A., Zhaldak S. N., Truskavetskii R. V. Features of the influence of nanosilver compositions on the processes of morphogenesis in potato culture in vitro. Science Time, 2015, no. 11 (23), pp. 87–91 (in Russian).Almutairi, Z. M. Effect of silver nanoparticles on seed germination of crop plants / Z. M. Almutairi, A. A. Alharbi // J. Adv. Agricult. – 2015. – Vol. 4, N 1. – P. 280–285. https://doi.org/10.24297/jaa.v4i1.4295Almutairi Z. M., Alharbi A. A. Effect of silver nanoparticles on seed germination of crop plants. Journal of Advances in Agriculture, 2015, vol. 4, no. 1, pp. 280–285. https://doi.org/10.24297/jaa.v4i1.4295

The authors declare that there are no conflicts of interest present.