 |
The two face of nanoparticles: metal-oxide nanoparticle-induced nitro-oxidative stress in crop seedlings and its possible alleviation by nano-silicon seed priming
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
131589 |
| Type |
PD |
| Principal investigator |
Feigl, Gábor |
| Title in Hungarian |
A nanopartikulumok két arca: fém-oxid nanopartikulum-indukált nitro-oxidatív stressz mezőgazdasági csíranövényekben és ennek lehetséges enyhítése a magok szilícium nanopartikulum előkezelésével |
| Title in English |
The two face of nanoparticles: metal-oxide nanoparticle-induced nitro-oxidative stress in crop seedlings and its possible alleviation by nano-silicon seed priming |
| Keywords in Hungarian |
nanopartikulum, fém-oxid nanopartikulum, nitro-oxidatív stressz, előkezelés, szilícium nanopartikulum |
| Keywords in English |
nanoparticles, metal oxid nanoparticles, nitro-oxidative stress, priming, silicon nanoparticles |
| Discipline |
| Plant stress biology (Council of Complex Environmental Sciences) | 70 % | | Environmental biology, ecotoxicology (Council of Complex Environmental Sciences) | 30 % | | Ortelius classification: Modelling (Environmental risks) |
|
| Panel |
Complex agricultural sciences |
| Department or equivalent |
Department of Plant Biology (University of Szeged) |
| Starting date |
2019-12-01 |
| Closing date |
2022-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
24.885 |
| FTE (full time equivalent) |
2.40 |
| state |
closed project |
Summary in Hungarian A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A nanotechnológia fejlődésével egyre több műtrágyában jelennek meg különböző fém-oxid nanopartikulumok (NP), amik kis mennyiségben, mikroelem-forrásként jótékony hatást gyakorolnak a növénye növekedésére. Azonban felhalmozódva vagy nagy mennyiségben, az ionos formában előforduló fémekhez hasonlóan negatív hatást fejtenek ki a növények korai fejlődésére. Ezen negatív hatás hátterében jelenlegi ismereteink alapján gyakran oxidatív stresszfolyamatok állnak, azonban az ionos stresszorokkal végzett korábbi kutatásaim alapján feltételezhető, hogy a fém-oxid nanopartikulumok is képesek lehetnek a nitrozatív illetve nitro-oxidatív homeosztázis felborítására.
A projekt első szakaszában műtrágyákban is megtalálható réz- és cink-oxid nanopartikulumok csírázásra és korai gyökérnövekedésre gyakorolt hatását vizsgálnám a nitro-oxidatív stressz eredőjeként megjelenő fehérje tirozin nitráció, mint marker segítségével, számos mezőgazdaságilag fontos növény bevonásával. A második fázisban részletesen vizsgálnám a nitrációs válasz alapján kiválasztott fajok nitro-oxidatív homeosztázisát, gyökereinek sejtfalösszetételét, ionomikai jellemzőit. A projekt harmadik részében az előzőleg kiválasztott fajok magjainak szilícium nanopartikulumokkal történő előkezelésének hatását vizsgálnám a fém-oxid NP stressz kiváltotta nitro-oxidatív stresszválaszra in vitro illetve rhizotronos rendszerben.
A tervezett kutatás segíthet felderíteni a fém-oxid nanopartikulumok nitro-oxidatív homeosztázisra gyakorolt hatását fiatal csíranövényekben valamint a nano-szilikon előkezelés esetleges pozitív hatását ezen folyamatokra is, közvetlen mezőgazdasági hasznosíthatósággal kecsegtetve szennyezett talajok esetén.
Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatás egyik alapvető felvetése, hogy az irodalomban széleskörűen tárgyalt oxidatív stresszhez hasonlóan képesek-e a fém-oxid nanopartikulumok nitrozatív- illetve nitro-oxidatív stressz kiváltására. A munka során olyan nanopartikulumok kerülnének felhasználásra, amik megtalálhatók a mezőgazdaságban egye gyakrabban alkalmazott modern műtrágyákban, így nem megfelelő használat illetve az esetleges felhalmozódás esetén, mint stresszor léphetnek fel a növények korai életszakaszában. A több növényfajt felölelő feltérképezési fázisban a fehérje tirozin nitráció, mint marker felhasználásával kiválasztásra kerülnének nitro-oxidatív stressztüneteket produkáló fajok, amik részletes vizsgálata segíthet felderíteni a háttérben húzódó nitrozatív valamint nitro-oxidatív folyamatokat, valamint a párhuzamosan megfigyelhető egyéb stresszválaszokat.
A kutatás másik alapkérése, hogy képes-e a magok szilícium nanopartikulumokkal történő előkezelése enyhíteni a fém-oxid nanopartikulumok által kiváltott nitro-oxidatív stresszfolyamatokat. A nano-szilícium hatásmechanizmusa a növények életfolyamataira a legfrissebb publikációk alapján nem tisztázott, a tervezett kutatás segíthet annak felderítésében, hogy van-e pozitív hatása, illetve ha igen akkor milyen hatást gyakorol a magokon a csírázást megelőző alkalmazása a későbbi, fém-oxid nanopartikulumok által indukált nitro-oxidatív stresszválaszokra. Ezen kísérletek során az in vitro, a csírázást és az azt követő életszakaszt vizsgáló rendszer mellett földdel töltött rhizotronban a fém-oxid nanopartikulumok, valamint a nano-szilícium előkezelés korai gyökérarchitektúrára gyakorolt hatását is vizsgálnám.
Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A tervezett kutatás egyik újdonsága a fém-oxid nanopartikulumok nitrozatív- illetve nitro-oxidatív homeosztázisra gyakorolt hatásának vizsgálatában rejlik. Az irodalmi eredmények ezidáig csak a nanopartikulumok által indukált oxidatív stresszt vizsgálták, azonban előzetes kutatásaink alapján feltételezhető, hogy emellett a nitrozatív, valamint a két jelátviteli rendszert integráló nitro-oxidatív státuszt is képesek lehetnek befolyásolni. Az elméleti, alapkutatási vonatkozás mellett a tervezett kutatás gyakorlati jelentőségét egyrészt a több bevont mezőgazdasági haszonnövény vizsgálata, másrészt másik újdonságként a szilícium nanopartikulumok előkezelésként (priming) alkalmazása adja. A szilícium növényekre gyakorolt pozitív hatása régóta ismert, azonban a háttérben húzódó folyamatok a mai napig felderítésre várnak, így a fém-oxid nanopartikulumok által indukált nitro-oxidatív stresszválasz esetleges enyhítésének kimutatása jelentős tudományos újdonságot jelentene. Emellett a rhizotronos kísérletek eredményei iránymutatásul szolgálhatnának az esetleges későbbi mezőgazdasági felhasználás során is, mivel a természeteshez hasonló körülmények között vizsgálná a mezőgazdasági növények gyökérarchitektúrájának kialakulását korai életszakaszukban, kontroll, fém-oxid nanopartikulum-stresszelt valamint a magok nano-szilíciummal történő előkezelése után egyaránt.
A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A modern mezőgazdaságban is egyre gyakrabban alkalmazzák a fejlődő technológia vívmányait, ezek közé tartozik a különböző fém-oxid nanopartikulumok elterjedése is. Ezek elsősorban műtrágyákban találhatóak meg, feladatuk a növények optimális fejlődése számára szükséges mikroelemek biztosítása. Helytelen, túlzott alkalmazás esetén azonban felhalmozódhatnak, és nagy mennyiségben gátolhatják a növények gyökerének növekedését. A gyökerek fejlődését egy komplex jelátviteli rendszer szabályozza, aminek egyensúlyának felborulása zavart okoz a gyökér fejlődésében, növekedésében, negatív hatást gyakorolva az egész növény életére.
A tervezett kutatás egyik célja, hogy számos mezőgazdasági haszonnövény bevonásával kimutassam a fém-oxid nanopartikulumok gyökérnövekedés-gátlása hátterében álló nitro-oxidatív jelátviteli hálózatban tapasztalható változásokat. A növekedésgátlás háttérfolyamatainak megismerése fontos információkat nyújthat a növények különböző kedvezőtlen folyamatokra adott reakcióinak megismeréséhez.
Kutatásom másik fő célja egy ígéretes anyag, a szilícium nanopartikulumok növényekre gyakorolt hatásának vizsgálata. Az eddigi eredmények alapján a szilícium képes lehet más stresszorok negatív hatásának csökkentésére, így feltételezhetően a kísérlet első felében tanulmányozott, fém-oxid nanopartikulumok által kiváltott gyökérnövekedés-gátlás enyhítésére vagy kivédésére is. Ennek vizsgálatához a magokat fogom előkezelni nano-szilíciummal és annak későbbi, a csíranövények gyökérnövekedésére gyakorolt hatását fogom vizsgálni. A nano-szilícium hatásának megismerése közvetlen mezőgazdasági hasznosíthatósággal kecsegtet szennyezett talajok esetén.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
With the development of nanotechnology more and more fertilisers contain different metal-oxide nanoparticles, which in small amount positively affect plant growth as micronutrient-source. On the other hand, if they are applied in excess or build up, they might negatively impact plant development, similar to metal stress in ionic form. According to our present knowledge, oxidative stress processes lie in the background of this negative response, however, based on my previous research on ionic stressors it can be assumed that metal-oxide nanoparticles may also be able to disrupt nitrosative or nitro-oxidative homeostasis too.
In the first phase of the project the effect of copper and zinc oxide nanoparticles often present in fertilizers would be studied on germination and early root growth, with the help of protein tyrosine nitration resulting from nitro-oxidative stress as a marker, involving a number of agriculturally important plants. In the second phase, I would examine in detail the nitro-oxidative homeostasis of species selected based on the nitration response, including cell wall composition of the roots, and ionomic characteristics as well. In the third part of the project I would examine the effect of silicon nanoparticle pre-treatment of seeds of previously selected species on the metal-oxide NP stress-induced nitro-oxidative stress response in vitro and in rhizotron system.
The proposed research may help to elucidate the effect of metal-oxide nanoparticles on nitro-oxidative homeostasis in young seedlings, and the potential positive effect of nano-silicone pre-treatment on these processes, promising direct agricultural usability for contaminated soils.
What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
One of the fundamental propositions of the research is whether metal-oxide nanoparticles are capable of eliciting nitrosative or nitro-oxidative stress, similar to the widely discussed oxidative stress in the literature. The work would involve the use of nanoparticles that are found in modern agricultural fertilizers, so in case of inappropriate use and potential accumulation they can become a stressor in the early stages of plant development. In the screening phase involving several plant species, the use of protein tyrosine nitration as a marker would help to select species producing nitro-oxidative stress symptoms, which detailed analysis may help to detect background nitrosative and nitro-oxidative processes, as well as other co-occurring stress responses.
Another basic question of the research is whether the pre-treatment of the seeds with silicon nanoparticles can alleviate the nitro-oxidative stress processes induced by the metal-oxide nanoparticles. The mechanism of action of nano-silicon on the life processes of plants is not clear from the latest publications. The planned research can help to find out if it has a positive effect, and if so, what effect of its pre-germination application on the seeds has on the subsequent nitro-oxidative stress responses induced by metal-oxide nanoparticles. In these experiments, besides studying germination and subsequent life phase in in vitro experiments, soil-filled rhizotrons would be used to examine the effect of metal-oxide nanoparticles and nano-silicon priming on early root architecture development.
What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
One of the novelties of the planned research is the study of the effect of metal-oxide nanoparticles on nitrosative and nitro-oxidative homeostasis. Literature results have so far only mentioned the oxidative stress induced by nanoparticles, but based on our preliminary research, it can be assumed that they can also influence the nitrosative and the integrated nitro-oxidative status as well. In addition to the theoretical, basic research aspect, the practical significance of the planned research is determined by the analysis of several involved agricultural crop plants, and secondly by using the silicon nanoparticles as priming agent. The positive effect of silicon on plants has long been known, but the underlying processes are still to be explored, so the detection of a possible mitigation of nitro-oxidative stress induced by metal-oxide nanoparticles would be a significant scientific novelty. In addition, the results of rhizotron experiments could serve as guidance for possible future agricultural use, as it would investigate the development of the root architecture of agricultural plants under circumstances similar to natural in their early developmental stage; under control and metal-oxide nanoparticle-stressed conditions and also after seeds primed with nano-silicon as well.
Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
The advances in developing technology are also increasingly used in modern agriculture, including the spread of various metal-oxide nanoparticles. They are mainly found in fertilizers; their task is to provide the microelements necessary for the optimal development of plants. However, they can accumulate in the case of improper use, and can inhibit the growth of the root of plants in large quantities. The development of the roots is regulated by a complex signal transduction system, which imbalance can disturb the development and growth of the root system, with a negative effect on the life of the whole plant.
One of the aims of the proposed research is to show the changes in the nitro-oxidative signalling network behind the root growth inhibition due to metal-oxide nanoparticles, with the involvement of many agricultural crops. Getting to know the background processes of growth inhibition can provide important information for understanding the reactions of plants to different unfavourable processes. The other main purpose of my research is to study the effect of a promising substance, silicon nanoparticles, on plants. Based on the results so far, silicon may be able to mitigate the negative effects of other stressors, thus presumably to mitigate or prevent root growth inhibition caused by metal oxide nanoparticles, examined in the first part of the experiments. To test this, I will pre-treat the seeds with nano-silicon, and I will study its effect on root growth of seedlings. Getting to know the effects of nano-silicon promises direct agricultural usability in case of contaminated soils.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
