Исследование влияния наноразмерного оксида кобальта на устойчивость пшеницы (Triticum aestivum) к температурным условиям окружающей среды

Актуальность. Экстремальные температуры являются одним из основных абиотиче ских стрессоров, лимитирующих продуктивность пшеницы (Triticum aestivum). Перспективным подходом к повышению толерантности растений является предпосевной прайминг семян наноформами микроэлементов. Цель работы — оценка влияния нано частиц Co₃ O₄ , стабилизированных хитозаном, на устойчивость проростков пшеницы к гипо- и гипертермии.

Методы. Наночастицы Co₃ O₄ синтезированы химическим осаждением с использованием в качестве стабилизатора низкомолекулярного хитозана. Энергетическую выгоду взаимодействия оценивали методом квантово-химического моделирования (B3LYP/6-31G*). Семена пшеницы обрабатывали раствором наночастиц (1 мг/л) и проращивали в течение 8 суток при температурах –10 °C, +20 °C и +50 °C. Определяли морфометрические показатели и содержание фотосинтетических пигментов (спектрофо тометрия).

Результаты. Моделирование показало, что взаимодействие оксида кобальта с аминогруппой хитозана энергетически выгодно (∆E ≥ 1446 ккал/моль), что обеспечивает про лонгированное высвобождение элемента. В нормальных условиях (+20 °C) обработка увеличила длину проростков на 19% и их выживаемость. При тепловом стрессе (+50 °C) предпосевной прайминг достоверно (p<0,05) повысил сырую биомассу в 2,5 раза и содержание каротиноидов. Ключевым результатом является восстановление соотношения хлорофиллов *a/b* с 2,75 (контроль) до 1,51 (опыт) в условиях гипертермии, что свидетельствует о защите фотосинтетического аппарата. Применение наночастиц Co₃ O₄ переводит растение в состояние стрессовой готовности, повышая его устойчивость к действию экстремальных температур.

1. Zandalinas S.I., Fritschi F.B., Mittler R. Global Warming, Climate Change, and Environmental Pollution: Recipe for a Multifactorial Stress Combination Disaster. Trends in Plant Science. 2021; 26(6): 588–599. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2021.02.011

2. Chaudhry S., Sidhu G.P.S. Climate change regulated abiotic stress mechanisms in plants: a comprehensive review. Plant Cell Reports. 2022; 41(1): 1–31. https://doi.org/10.1007/s00299-021-02759-5

3. Abdel Latef A.A.H., Zaid A., Abu Alhmad M.F., Abdelfattah K.E. The Impact of Priming with Al2 O3 Nanoparticles on Growth, Pigments, Osmolytes, and Antioxidant Enzymes of Egyptian Roselle (Hibiscus sabdariffa L.) Cultivar. Agronomy. 2020; 10(5): 681. https://doi.org/10.3390/agronomy10050681

4. Фитишин К.Р. Влияние климатических изменений на урожайность основных сельскохозяйственных культур. Инновационные технологии в науке и образовании (ИТНО 2024). Сборник научных трудов ХII Международной научно-практической конференции. Ростов-на-Дону: ДГТУ-ПРИНТ. 2024; 119–122. https://doi.org/10.23947/itse.2024.119-122

5. Хисматуллин М.М., Лукманов А.А., Хисматуллин М.М., Хакимов Т.Б., Кузнецов М.Г., Куракова Ч.М. Современное состояние и экономическая эффективность мелиоративного земледелия в Республике Татарстан в условиях роста аридности климата. Аграрная наука. 2024; (5): 136–143. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2024-382-5-136-143

6. Khatana J.P. et al. Abiotic stress in field crops: A review. International Journal of Research in Agronomy. 2026; 9(2-A): 1–11. https://doi.org/10.33545/2618060X.2026.v9.i2a.4813

7. Houmani H. et al. Revisiting the Potential of Seed Nutri-Priming to Improve Stress Resilience and Nutritive Value of Cereals in the Context of Current Global Challenges. Agronomy. 2024; 14(7): 1415. https://doi.org/10.3390/agronomy14071415

8. Зульфугарова С.Т., Рустамова С.М., Гусейнова И.М. Активность антиоксидантных ферментов и термостабильность мембран у генотипов твердой пшеницы при тепловом стрессе. Аграрная наука. 2022; (2): 56–61. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2022-356-2-56-61

9. Zenda T., Wang N., Dong A., Zhou Y., Duan H. Reproductive-Stage Heat Stress in Cereals: Impact, Plant Responses and Strategies for Tolerance Improvement. International Journal of Molecular Sciences. 2022; 23(13): 6929. https://doi.org/10.3390/ijms23136929

10. Hasanuzzaman M. et al. Reactive Oxygen Species and Antioxidant Defense in Plants under Abiotic Stress: Revisiting the Crucial Role of a Universal Defense Regulator. Antioxidants. 2020; 9(8): 681. https://doi.org/10.3390/antiox9080681

11. Dumanović J., Nepovimova E., Natić M., Kuča K., Jaćević V. The Significance of Reactive Oxygen Species and Antioxidant Defense System in Plants: A Concise Overview. Frontiers in Plant Science. 2021; 11: 552969. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.552969

12. Lanza M.G.D.B., dos Reis A.R. Roles of selenium in mineral plant nutrition: ROS scavenging responses against abiotic stresses. Plant Physiology and Biochemistry. 2021; 164: 27–43. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2021.04.026

13. Thakur M., Tiwari S., Kataria S., Anand A. Recent advances in seed priming strategies for enhancing planting value of vegetable seeds. Scientia Horticulturae. 2022; 305: 111355. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2022.111355

14. Ahmad Z. et al. Enhancing plant resilience: Nanotech solutions for sustainable agriculture. Heliyon. 2024; 10(23): e40735. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2024.e40735

15. dos Reis A.R., Gonzalez-Porras C.V., Ferreira P.M., da Silva P.G., Freire F.B.S., Morais E.G. Unlocking resilience: physiological roles of benefit elements silicon, selenium and cobalt to enhance tolerance of crop plants against abiotic stresses. Plant Physiology and Biochemistry. 2025; 229(B): 110515. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2025.110515

16. Nile S.H. et al. Nano-priming as emerging seed priming technology for sustainable agriculture—recent developments and future perspectives. Journal of Nanobiotechnology. 2022; 20: 254. https://doi.org/10.1186/s12951-022-01423-8

17. Астафурова Т.П. и др. Влияние наночастиц диоксида титана и оксида алюминия на морфофизиологические параметры растений. Вестник Томского государственного университета. Биология. 2011; (1): 113–122. EDN NGAZSR

18. Gudkov S.V. et al. Laser Ablation-Generated Crystalline Selenium Nanoparticles Prevent Damage of DNA and Proteins Induced by Reactive Oxygen Species and Protect Mice against Injuries Caused by Radiation-Induced Oxidative Stress. Materials. 2023; 16(14): 5164. https://doi.org/10.3390/ma16145164

19. Burmistrov D.E. et al. Bacteriostatic and Cytotoxic Properties of Composite Material Based on ZnO Nanoparticles in PLGA Obtained by Low Temperature Method. Polymers. 2022; 14(1): 49. https://doi.org/10.3390/polym14010049

20. Yanbaev F.M. et al. A Promising Material for Biomedicine and Food Production Based on a Polymethyl Methacrylate-like Resin with Silicon Dioxide Nanoparticles. Molecules. 2025; 30(24): 4740. https://doi.org/10.3390/molecules30244740

21. Jomova K. et al. Essential metals in health and disease. Chemico Biological Interactions. 2022; 367: 110173. https://doi.org/10.1016/j.cbi.2022.110173

22. Singhal R.K. et al. Beneficial elements: New Players in improving nutrient use efficiency and abiotic stress tolerance. Plant Growth Regulation. 2023; 100(2): 237–265. https://doi.org/10.1007/s10725-022-00843-8

23. Rui M. et al. Metal oxide nanoparticles alter peanut (Arachis hypogaea L.) physiological response and reduce nutritional quality: a life cycle study. Environmental Science: Nano. 2018; 5(9): 2088 2102. https://doi.org/10.1039/C8EN00436F

24. Khalid S. et al. Cobalt in the soil-plant system across deficient, beneficial and toxic levels: data analysis and mechanistic interpretations. Environmental Science: Processes & Impacts. 2026; 28(2): 356–383. https://doi.org/10.1039/D5EM00413F

25. Noor J. et al. Enhancing saline stress tolerance in soybean seedlings through optimal NH4 +/NO3– ratios: a coordinated regulation of ions, hormones, and antioxidant potential. BMC Plant Biology. 2024; 24: 572. https://doi.org/10.1186/s12870-024-05294-z

26. Inayat H., Mehmood H., Danish S., Alharbi S.A., Ansari M.J., Datta R. Impact of cobalt and proline foliar application for alleviation of salinity stress in radish. BMC Plant Biology. 2024; 24: 287. https://doi.org/10.1186/s12870-024-04998-6

27. Ragab G.A., Nessem A.A., Elshobary M.E., Henjes J., Razzaky E.O. Unraveling the physiological and ultrastructural responses of wheat to combat cobalt stress and the protective role of Jania rubens related to antioxidant defense and cellular integrity. Frontiers in Plant Science. 2025; 16: 1621482. https://doi.org/10.3389/fpls.2025.1621482

28. Khalid S. et al. A Review of Environmental Contamination and Health Risk Assessment of Wastewater Use for Crop Irrigation with a Focus on Low and High-Income Countries. International Journal of Environmental Research and Public Health. 2018; 15(5): 895. https://doi.org/10.3390/ijerph15050895

29. Дубков А.А., Тимошинов Р.В., Кушаева Е.Ж., Клыков А.Г. Влияние микроудобрений и регуляторов роста на урожайность сои в условиях Приморского края. Аграрная наука. 2023; (11): 93–97. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2023-376-11-93-97

30. Verma K.K. et al. Nanofertilizer Possibilities for Healthy Soil, Water, and Food in Future: An Overview. Frontiers in Plant Science. 2022; 13: 865048. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.865048

31. El-Saadony M.T. et al. Role of Nanoparticles in Enhancing Crop Tolerance to Abiotic Stress: A Comprehensive Review. Frontiers in Plant Science. 2022; 13: 946717. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.946717

32. Abou El-Nasr M.K. et al. The Emerging Roles of Nanoparticles in Managing the Environmental Stressors in Horticulture Crops— A Review. Plants. 2025; 14(14): 2192. https://doi.org/10.3390/plants14142192

33. Temerbayeva M. et al. Technology of Sour Milk Product For Elderly Nutrition. Research Journal of Pharmaceutical, Biological and Chemical Sciences. 2018; 9(1): 291–295. EDN XNJGKT

34. Горелик В.С., Ребезов М.Б., Горелик О.В., Кныш И.В. Применение хитиновых препаратов для повышения продуктивности коров. Нормативно-правовое регулирование в ветеринарии. 2025; (4): 191–195. https://doi.org/10.52419/issn2782-6252.2025.4.191

35. Горелик В.С., Ребезов М.Б. Гематологические показатели коров при использовании сукцинат хитозана. Современные технологии культивирования, переработки и хранения продукции АПК. Сборник тезисов, подготовленный в рамках круглого стола. Екатеринбург: Уральский государственный аграрный университет. 2022; 2: 137–138. EDN JTHLXS

36. Топурия Г.М., Топурия Л.Ю., Корелин В.П., Ребезов М.Б. Ветеринарно-санитарная оценка продуктов убоя утят при применении хитозана. Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2014; (3): 95–97. EDN SJDSKL

37. Блинов А.В. и др. Наночастицы селена, стабилизированные хитозаном, для обогащения молочной продукции. Аграрная наука. 2024; (9): 130–135. https://doi.org/10.32634/0869-8155-2024-386-9-130-135

38. Shukla S.K., Mishra A.K., Arotiba O.A., Mamba B.B. Chitosan based nanomaterials: A state-of-the-art review. International Journal of Biological Macromolecules. 2013; 59: 46–58. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2013.04.043

39. Domin M. et al. Germination Energy and Capacity of Maize Seeds Following Low-Temperature Short Storage. Sustainability. 2020; 12(1): 46. https://doi.org/10.3390/su12010046