Регуляция катионных токов через плазматическую мембрану клеток корня высших растений под действием наночастиц оксидов меди, железа и титана

Abstract

Разработка и использование экологически безопасных и высокоэффективных форм удобрений на основе наночастиц являются важными задачами современной экспериментальной биологии растений. В данной области одним из актуальных вопросов выступает оценка влияния металлсодержащих наночастиц, таких как оксиды меди, железа и титана, на функционирование мембранных систем ионного транспорта в корнях высших растений. В рамках настоящей работы с использованием техники локальной фиксации потенциала (пэтч-кламп) исследовано воздействие наночастиц CuO, Fe3O4 и TiO2 на функционирование наружувыпрямляющих K+-каналов и внутрьвыпрямляющих Са2+-каналов плазматической мембраны клеток корня Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Продемонстрировано, что наночастицы CuO и TiO2 в концентрации 300 мг/л ингибируют наружунаправленные K+-токи и внутрьнаправленные Са2+-токи через плазматическую мембрану при воздействии в течение 15 мин. При увеличении времени влияния наночастиц CuO до 30 мин зарегистрирована активация K+- и Са2+-токов, что, вероятно, было связано с редокс-зависимой стимуляцией соответствующих групп катионных каналов. Наночастицы Fe3O не вызывали изменений в картине ионных токов через плазматическую мембрану клеток корня. Также эффекты отсутствовали при применении вместо наночастиц соответствующих макрочастиц (балк-форма; более 1 мкм). Наночастицы Fe3O4, как не обладающие мембранотропными эффектами, протестированы в качестве стимуляторов роста в особых культивационных системах малого объема. Показано, что данные наночастицы, начиная с их концентрации в твердой среде свыше 300 мг/л, стимулировали рост растений A. thaliana. Этот факт указывает на значительный потенциал их использования в качестве наноудобрений. Полученные данные раскрывают новые закономерности воздействия перспективных наноматериалов на ионтранспортные механизмы мембран клеток корня высших растений, демонстрируя комплексные мембранотропные эффекты от наночастиц CuO и TiO2, а также относительную инертность по отношению к клеточным мембранам наночастиц Fe3O4.