Лаборатория фитонанотехнологии

РУКОВОДИТЕЛЬ:

ВЕНЖИК
Юлия Валерьевна

заведующий лабораторией,
ведущий научный сотрудник,
кандидат биологических наук

Телефон: +7 (499) 678-54-00, внутр. 326
E-mail: jul.venzhik@ifr.moscow
Профиль на E-library
Профиль на Researchgate

СОТРУДНИКИ:

ИССЛЕДОВАНИЯ:

Основные направления работы:

• механизмы поступления наночастиц в растительные клетки и их перемещения по растению, внутриклеточная локализация;
• механизмы действия наночастиц на структурно-функциональные, физиолого-биохимические и молекулярно-генетические показатели растений;
• выявление токсических эффектов при использовании разных типов, концентраций наночастиц и способов обработок ими растений;
• использование наночастиц как стимуляторов роста и развития растений, а также адаптогенов, усиливающих их стрессоустойчивость к абиотическим факторам, в частности ‒ к низким температурам.

Объекты исследований:

В качестве объектов исследования используются важные сельскохозяйственные культуры, различающиеся по устойчивости к низкой температуре: морозостойкая пшеница (Triticum aestivum), холодостойкий картофель (Solanum tuberosum), теплолюбивые томат (Solanum lycopersicum), табак (Nicotiana tabacum) и огурец (Cucumis sativus), различные виды микрозелени (microgreens), а также модельный объект Arabidopsis thaliana и другие растения.

Методы исследований:

• изучение ультраструктуры клеток с помощью световой и электронной микроскопии;
• определение содержания химических элементов в тканях с помощью абсорбционной спектроскопии;
• определение устойчивости растений к низким температурам с помощью кондуктометрии и по оценке выживаемости после тестирующего охлаждения;
• методы оценки содержания активных форм кислорода, низкомолекулярных антиоксидантов, активностей и изоферментного состава основных антиоксидантных ферментов (спектрофотометрия, электрофорез в полиакриламидном геле в неденатурирующих условиях);
• спектрофотометрические методы определения содержания пигментов, метаболитов и других соединений;
• экстракция липидов из растительного материала для определения состава жирных кислот суммарных липидов методом газовой хроматографии-масс-спектрометрии;
• изучение СО₂-газообмена растений на установке открытого типа с инфракрасным газоанализатором;
• анализ экспрессии генов методом ПЦР в режиме реального времени, а также другие классические физиолого-биохимические и молекулярно-генетические методы.

Ключевые достижения:

1. Впервые показано, что нанопрайминг ‒ обработка семян коллоидными растворами наночастиц золота (диаметр 15.3 нм, концентрация 5-20 мкг/мл), изменяет метаболизм растений, стимулирует ростовые процессы, активность фотосинтетического аппарата и компонентов антиоксидантной системы, влияет на экспрессию генов.
2. В условиях низкотемпературного закаливания обработка растений наночастицами поддерживала программу холодовой адаптации — способствовала ингибированию роста, сохранению активности фотосинтетического аппарата и компонентов антиоксидантной системы, обеспечивала накопление растворимых сахаров в листьях, и как следствие, повышала холодоустойчивость.
3. Впервые установлено, что наночастицы золота способны действовать как адаптогены, запускающие дополнительные механизмы увеличения устойчивости растений к низкой температуре.

ПУБЛИКАЦИИ:

Наиболее значимые публикации за последние 5 лет:

1. Venzhik Y., Deryabin A., Naraikina N., Zhukova K., Dykman L. The influence of Au-based nanoparticles on some physiological, biochemical and molecular characteristics of wheat plants during low temperature hardening. Plant Physiology and Biochemistry. 2024. V. 213: 108837. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2024.108837
2. Venzhik Y., Deryabin A., Zhukova K. Au-based nanoparticles enhance low temperature tolerance in wheat by regulating some physiological parameters and gene expression. Plants. 2024. V. 13: 1261. https://doi.org/10.3390/plants13091261
3. Deryabin A., Zhukova K., Naraikina N., Venzhik Y. Effect of low temperature on content of primary metabolites in two wheat genotypes differing in cold tolerance. Metabolites. 2024. V. 14: 199. https://doi.org/10.3390/metabo14040199
4. Venzhik Y., Deryabin A., Dykman L. Nanomaterials in plant physiology: main effects in normal and under temperature stress. Plant Science. 2024. V. 346: 112148. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2024.112148
5. Deryabin A., Popov V. Morphophysiological and biochemical responses of Amaranthus caudatus to elevated cultivation temperatures. Journal of Plant Growth Regulation. 2024. V. 43. P. 2197-2208. https://doi.org/10.1007/s00344-024-11255-5
6. Venzhik Y.V., Deryabin A.N., Zhukova K.V., Sokolov A.O., Popov V.N., Moshkov I.E. Features of formation of wheat’s increased cold resistance under the influence of gold nanoparticles. Russian Journal of Plant Physiology. 2024. V. 71: 34. https://doi.org/10.1134/S1021443724604191
7. Zhukov A., Popov V. Eukaryotic cell membranes: structure, composition, research methods and computational modeling. International Journal of Molecular Sciences. 2023. V. 24: 11226. https://doi.org/10.3390/ijms241311226
8. Venzhik Yu., Deryabin A., Moshkov I. Adaptive strategy of plant cells during chilling: aspect of ultrastructural reorganization. Plant Science. 2023. V. 332: 111722. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2023.111722
9. Venzhik Yu.V., Deryabin A.N. The use of nanomaterials as a plant-protection strategy from adverse temperatures. Russian Journal of Plant Physiology. 2023. V. 70: 68. https://doi.org/10.1134/S1021443723600344
10. Venzhik Yu.V., Deryabin A.N. Regulation of pro-/antioxidant balance in higher plants by nanoparticles of metals and metal oxides. Russian Journal of Plant Physiology. 2023. V. 70: 14. https://doi.org/10.1134/S1021443722602312
11. Venzhik Yu., Deryabin A., Popov V., Dykman L., Moshkov I. Priming with gold nanoparticles leads to changes in the photosynthetic apparatus and improves the cold tolerance of wheat. Plant Physiology and Biochemistry. 2022. V. 190. P. 145-155. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2022.09.006
12. Venzhik Yu., Deryabin A., Popov V., Dykman L., Moshkov I. Gold nanoparticles as adaptogens increasing the freezing tolerance of wheat seedlings. Environmental Science and Pollution Research. 2022. V. 29. P. 55235-55249. https://doi.org/10.1007/s11356-022-19759-x
13. Venzhik Yu., Deryabin A., Popov V., Dykman L., Moshkov I. The effects of gold nanoparticles on redox status and freezing tolerance of wheat seedlings. Acta Physiologiae Plantarum. 2022. V. 44: 113. https://doi.org/10.1007/s11738-022-03456-w
14. Venzhik Y.V., Moshkov I.E., Dykman L.A. Influence of nanoparticles of metals and their oxides on the photosynthetic apparatus of plants. Biology Bulletin. 2021. V. 48. P. 140-155. https://doi.org/10.1134/S106235902102014X
15. Venzhik Y.V., Moshkov I.E., Dykman L.A. Gold nanoparticles in plant physiology: principal effects and prospects of application. Russian Journal of Plant Physiology. 2021. V. 68. P. 401-412. https://doi.org/10.1134/S1021443721020205

Наиболее значимые публикации за все время:

1. Popov V.N., Deryabin A.N. Effect of photoperiod duration on efficiency of low-temperature hardening of Arabidopsis thaliana Heynh.(L.). Russian Journal of Plant Physiology. 2023. V. 70: 56. https://doi.org/10.1134/S1021443722603093
2. Venzhik Yu.V., Moshkov I.E. The role of ultrastructural organization of cells in adaptation of winter wheat to low temperature. Russian Journal of Plant Physiology. 2023. V. 70: 100. https://doi.org/10.1134/S1021443723600873
3. Zhukov A.V., Popov V.N. Synthesis of C20-38 fatty acids in plant tissue. International Journal of Molecular Sciences. 2022. V. 23(9): 4731. https://doi.org/10.3390/ijms23094731 IF=6.208; Q1
4. Deryabin A.N., Trunova T.I. Colligative effects of solutions of low-molecular sugars and their role in plants under hypothermia. Biology Bulletin. 2021. V. 48: S29-S37. https://doi.org/10.1134/S1062359021060042
5. Popov V.N., Astakhova N.V. Ultrastructural changes in chloroplasts of Cucumis sativus L. and Secale cereale L. during low-temperature hardening. Russian Journal of Plant Physiology. 2021. V. 68. P. 678-687. https://doi.org/10.1134/S1021443721040130
6. Popov V.N., Naraikina N.V. Change of antioxidant enzyme activity during low-temperature hardening of Nicotiana tabacum L. and Secale cereale L. Russian Journal of Plant Physiology. 2020. V. 67. P. 898-905. https://doi.org/10.1134/S1021443720050118
7. Venzhik Yu.V., Shchyogolev S.Yu., Dykman L.A. Ultrastructural reorganization of chloroplasts during plant adaptation to abiotic stress factors. Russian Journal of Plant Physiology. 2019. V. 66. P. 850-863. https://doi.org/10.1134/S102144371906013X
8. Popov V.N., Antipina O.V., Selivanov A.A., Rakhmankulova Z.F., Deryabin A.N. Functional activity of the photosynthetic apparatus in tobacco and arabidopsis plants exposed to chilling temperatures. Russian Journal of Plant Physiology. 2019. V. 66. P. 102-109. https://doi.org/10.1134/S1021443719010138
9. Popov V.N., Deryabin A.N., Astakhova N.V., Antipina O.V., Suvorova T.A., Alieva G.P., Moshkov I.E. Ethylene-insensitive Arabidopsis mutants etr1-1 and ein2-1 have a decreased freezing tolerance. Doklady Biochemistry and Biophysics. 2019. V. 487. P. 269-271. https://doi.org/10.1134/S1607672919040069
10. Naraikina N.V., Astakhova N.V., Deryabin A.N., Sinkevich M.S., Trunova T.I. Adaptive alterations in the ultrastructure of chloroplasts and the contents of pigments and sugars under low temperature hardening of potato plants: role of Δ12 acyl-lipid desaturase. Biology Bulletin. 2018. V. 45. P. 549-556. https://doi.org/10.1134/S1062359018060092
11. Трунова Т.И. Растение и низкотемпературный стресс. 64-е Тимирязевское чтение. М.: Наука. 2007. 57 c.
12. Климов С.В. Пути адаптации растений к низким температурам. Успехи современной биологии. 2001. Т. 121. С. 3-22.
13. Самыгин Г.А. Образование льда в растениях. Физиология растений. 1997. Т. 44. С. 275-286.
14. Trunova T.I. Mechanism of winter wheat hardening at low temperature. In: Plant Cold Hardiness and Freezing Stress. Eds. P.H. Li and A. Sakai, Acad. Press. N.Y. 1982. V. 2. P. 41-55.
15. Туманов И.И. Физиология закаливания и морозостойкости растений. М.: Наука. 1979. 352 с.

НАУЧНЫЕ ПРОЕКТЫ:

УСЛУГИ:

Перечень услуг:

1. определение токсичности наночастиц (концентрационные тесты);
2. определение концентраций наночастиц, оказывающих стимулирующие эффекты на всхожесть семян и физиолого-биохимические показатели растений;
3. определение устойчивости растений к низкой температуре.

Перечень оборудования:

1. амплификатор Терцик («ДНК-технология», Россия);
2. бокс антибактериальной воздушной среды БАВнп-01-1,2 (Ламинар-С, Россия);
3. весы аналитические Ohaus Explorer Pro 214C (Ohaus, Швейцария);
4. источник тока PowerPac™ Universal Power Supply («Bio-Rad», США);
5. камера для вертикального электрофореза Bio-Rad Mini PROTEAN Tetra («Bio-Rad», США);
6. климатическая камера KBW-240 (Binder GmbH, Германия);
7. климатический шкаф Gronland (ILKA, Германия);
8. кондуктометр SG-ELK (Mettler Toledo, Испания);
9. термостат с охлаждением MIR-153 (SANYO, Япония);
10. трансиллюминатор ETX-26.MX (Vilber Lourmat, ЕС);
11. центрифуги Eppendorf MiniSpin (Eppendorf, Германия), MicroSpin FV-2400 (BioSan, Латвия), Т-23 (Janetzki, Германия).

ФОТОГАЛЕРЕЯ:

ИСТОРИЯ:

Лаборатория фитонанотехнологии создана 1 июля 2024 г. Развитие нанотехнологий и широкое внедрение искусственных наноматериалов привели к тому, что в XXI веке наночастицы (структуры размером менее 100 нм) прочно вошли в различные сферы человеческой деятельности. Быстрый прогресс в развитии нанотехнологий сделал возможным синтез искусственных наночастиц различных размеров, формы и химической природы. Наночастицы металлов обладают уникальными физико-химическими и оптическими свойствами, в том числе высокой реакционной активностью, что позволяет им свободно проникать в экологические системы, а оттуда — в живые организмы. В настоящее время на основе наночастиц синтезированы удобрения, регуляторы роста, вещества с пестицидной и гербицидной активностью. Особый интерес представляет изучение высших растений, которые, вследствие прикрепленного образа жизни, наиболее уязвимы к внешним воздействиям. Перспективы дальнейшего внедрения наноматериалов в сельское хозяйство и биологические науки очень велики, недаром второе название наночастиц «magic bullets» ‒ «магические таблетки». Наночастицы способны изменять метаболизм растений, усиливая или угнетая рост и фотосинтез, водный обмен, антиоксидантную активность, экспрессию генов. Интерес исследователей к этой теме позволил говорить о появлении и развитии фитонанотехнологий ‒ стратегий использования наноматериалов для модулирования метаболических процессов и молекулярно-генетических механизмов стрессоустойчивости.

Учитывая, что Лаборатория фитонанотехнологии была создана на базе Лаборатории зимостойкости, существовавшей в Институте с 1940 г., роль наночастиц как адаптогенов изучается, в основном, при действии на растения низкой температуры.

С 1940 по 1982 гг. руководителем лаборатории был чл.-корр. АН СССР И.И. Туманов. С 1982 по 2009 г. лабораторию возглавляла д.б.н., профессор Т.И. Трунова. С 2010 по 2019 г. лабораторией заведовал д.б.н. И.Е. Мошков; с 2019 г. лабораторией руководил к.б.н. В.Н. Попов.