Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ 2499-9962 83363 10.29039/rusjbpc.2023.0620 ОБЩАЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА GENERAL AND MOLECULAR BIOPHYSICS ОБЩАЯ И МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОФИЗИКА USING OF PARAMAGNETIC FLUORESCENT NANOPARTICLES AND SPIN-ECHO NMR FOR A COMPREHENSIVE STUDY OF WATER TRANSPORT IN THE ROOTS OF INTACT PLANTS ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПАРАМАГНИТНЫХ ФЛУОРЕСЦЕНТНЫХ НАНОЧАСТИЦ И МЕТОДА СПИН-ЭХО ЯМР ДЛЯ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТРАНСПОРТА ВОДЫ В КОРНЯХ ИНТАКТНЫХ РАСТЕНИЙ Суслов М. А. Suslov M. A. makscom87@mail.ru Егоров Д. В. Egorov Ju. V. Даминова А. Г. Daminova A. G. Анисимов А. В. Anisimov A V. Самигуллин Д. В. Samigullin D. V. Мустафина А. Р. Mustafina A. R. Бочкова О. Д. Bochkova O. D. Казанский институт биохимии и биофизики, ФИЦ Казанский научный центр РАН Казань Россия Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Federal Research Center Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences Kazan Russian Federation Казанский институт биохимии и биофизики, ФИЦ Казанский научный центр РАН Казань Россия Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Federal Research Center Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences Kazan Russian Federation Казанский институт биохимии и биофизики, ФИЦ Казанский научный центр РАН Казань Россия Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Federal Research Center Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences Kazan Russian Federation Казанский институт биохимии и биофизики, ФИЦ Казанский научный центр РАН Казань Россия Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, FRC Kazan Scientific Center of RAS Kazan Russian Federation Казанский институт биохимии и биофизики, ФИЦ Казанский научный центр РАН Казань Россия Kazan Institute of Biochemistry and Biophysics, Federal Research Center Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences Kazan Russian Federation Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова, ФИЦ КНЦ РАН Казань Россия Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, Federal Research Center Kazan Scientific Center RAS Kazan Russian Federation Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова, ФИЦ КНЦ РАН Казань Россия Arbuzov Institute of Organic and Physical Chemistry, Federal Research Center Kazan Scientific Center RAS Kazan Russian Federation 27 05 2024 27 05 2024 8 3 271 276 21 07 2023 https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/83363/view

В работе представлены результаты использования метода спин-эхо ЯМР с применением нового типа МРТ-флуоресцентных контрастных агентов для исследования характеристик транспорта воды в тканях корней растений. Двойное контрастирование обеспечено включением как флуоресцентных, так и парамагнитных компонентов в силикатные наночастицы. Цель использования данного методического подхода заключается в демонстрации возможности исследования интенсивности транспорта воды в корнях селективно по симпластному (из клетки в клетку через плазмодесмы) и апопластному (внеклеточному) путям водного переноса. Флуоресцентные свойства наночастиц позволили исследовать скорость их проникновения и характер распределения в тканях корня кукурузы. Было показано, что частицы относительно быстро проникают и распределяются по апопласту корня, но при этом не проникают внутрь клеток, по крайней мере, в течение 1,5-2 часов, что являлось необходимым условием для проведения ЯМР экспериментов. В работе использовали два вида наночастиц с парамагнитным ядром на основе марганца и оксида железа. Было показано, что водные растворы наночастиц обладают показателями релаксивности приемлемыми для разделения внеклеточной и внутриклеточной воды в тканях корня по временам магнитной релаксации после часовой инкубации корней растений в растворах наночастиц. Контроль скорости проникновения наночастиц в апопласт корня с помощью конфокальной микроскопии был использован для демонстрации возможностей для качественной оценки интенсивности апопластного транспорта воды в корне. Таким образом, по сравнению с хорошо известными и использованными нами ранее видами МРТ-контрастантов на основе гадолиния, марганца и др., очевидным преимуществом использования парамагнитных флуоресцентных наночастиц в исследовании транспорта воды в растительных тканях, является возможность их визуализации в тканях, а также отсутствие токсического действия на растения, что также было показано в данной работе.

The paper presents the results of using the NMR spin-echo method with a new type of MRI contrast agents in the form of fluorescent paramagnetic nanoparticles to study the characteristics of water transport in plant root tissues. Double contrasting is provided by the inclusion of both fluorescent and paramagnetic components in silicate nanoparticles. The purpose of using this methodological approach was to selectively assess the intensity of water transport in plant roots selectively by the symplast (from cell to cell via plasmodesmata) and apoplastic (extracellular) pathways of water transport. The fluorescent properties of nanoparticles made it possible to study the rate of their penetration and the nature of their distribution in root tissues. It was shown that the particles penetrate relatively quickly and are distributed over the root apoplast, but do not penetrate into the cells, at least for 1.5-2 hours, which was a necessary condition for the NMR experiments. We used two types of nanoparticles with a paramagnetic core based on manganese and iron oxide. It was shown that aqueous solutions of nanoparticles have relaxivity parameters acceptable for separating extracellular and intracellular water in root tissues according to magnetic relaxation times after one hour of incubation of plant roots in solutions. This made it possible to “turn off” the signal from extracellular water and then, using the gradient NMR technique, to study water transport selectively by the root symplast. The control of the rate of penetration of nanoparticles into the root apoplast using confocal microscopy was used to demonstrate the possibilities for a qualitative assessment of the intensity of apoplastic water transport in the root under the action of various types of stress, for example, water deficiency, change of light intensity and air humidity. Thus, compared with well-known types of MRI contrast agents based on gadolinium, manganese, etc., the obvious advantage of using paramagnetic fluorescent nanoparticles in the study of water transport in plant tissues is the possibility of their visualization in tissues, as well as the absence of toxic effects on plants, which was shown in this work.

 транспорт воды в растениях ядерный магнитный резонанс спин-спиновая релаксации парамагнитные флуоресцентные наночастицы апопласт симпласт water transport in plants nuclear magnetic resonance spin-spin relaxation time paramagnetic fluorescent nanoparticles apoplast symplast Работа поддержана грантом № 22-74-10087 Российского научного фонда (https://rscf.ru/en/project/22-74-10087/). Часть работы выполнена с использованием оборудования ЦКП-САЦ ФИЦ КазНЦ РАН.

Kramer P.J. Water relations of plants. New-York: Academic Press, 1983, 489 p. Kramer P.J. Water relations of plants. New-York: Academic Press, 1983, 489 p. Steudle E. Water uptake by plant roots: an integration of views. Plant Soil., 2000, vol. 226, pp. 45-56. Steudle E. Water uptake by plant roots: an integration of views. Plant Soil., 2000, vol. 226, pp. 45-56. Kim Y.X., Ranathunge K., Lee S., Lee Y., Lee D., Sung J. Composite transport model and water and solute transport across plant roots: an update. Frontiers in Plant Science, 2018, vol. 9, no. 193, doi: 10.3389/fpls.2018.00193. Kim Y.X., Ranathunge K., Lee S., Lee Y., Lee D., Sung J. Composite transport model and water and solute transport across plant roots: an update. Frontiers in Plant Science, 2018, vol. 9, no. 193, doi: 10.3389/fpls.2018.00193. Maurel C., Boursiac Y., Luu D.T., Santoni V., Shahzad Z., Verdoucq L. Aquaporins in plants. Physiol. Rev., 2015, vol. 95, pp. 1321-1358. Maurel C., Boursiac Y., Luu D.T., Santoni V., Shahzad Z., Verdoucq L. Aquaporins in plants. Physiol. Rev., 2015, vol. 95, pp. 1321-1358. Bao Y., Aggarwal P., Robbins N.E., Sturrock C.J., Thompson M.C., Tan H.Q., Tham C., Duan L., Rodriguez P.L., Vernoux T. Plant roots use a patterning mechanism to position lateral root branches toward available water. Proc. Nat. Acad. Sci., 2014, vol. 111, pp. 9319-9324. Bao Y., Aggarwal P., Robbins N.E., Sturrock C.J., Thompson M.C., Tan H.Q., Tham C., Duan L., Rodriguez P.L., Vernoux T. Plant roots use a patterning mechanism to position lateral root branches toward available water. Proc. Nat. Acad. Sci., 2014, vol. 111, pp. 9319-9324. Dietrich D., Pang L., Kobayashi A., Fozard J.A., Boudolf V., Bhosale R., Antoni R., Nguyen T., Hiratsuka S., Fuji N. Root hydrotropism is controlled via a cortex-specific growth mechanism. Nat. Plants, 2017, vol. 3, p. 17057. Dietrich D., Pang L., Kobayashi A., Fozard J.A., Boudolf V., Bhosale R., Antoni R., Nguyen T., Hiratsuka S., Fuji N. Root hydrotropism is controlled via a cortex-specific growth mechanism. Nat. Plants, 2017, vol. 3, p. 17057. Barberon M., Vermeer J.E.M., De Bellis D., Wang P., Naseer S., Andersen T.G., Humbel B.M., Nawrath C., Takano J., Salt D.E., Geldner N. Adaptation of root function by nutrient-induced plasticity of endodermal differentiation. Cell, 2016, vol. 164, pp. 447-459. Barberon M., Vermeer J.E.M., De Bellis D., Wang P., Naseer S., Andersen T.G., Humbel B.M., Nawrath C., Takano J., Salt D.E., Geldner N. Adaptation of root function by nutrient-induced plasticity of endodermal differentiation. Cell, 2016, vol. 164, pp. 447-459. Doblas V.G., Smakowska-Luzan E., Fujita S., Alassimone J., Barberon M., Madalinski M., Belkhadir Y., Geldner N. Root diffusion barrier control by a vasculature-derived peptide binding to the SGN3 receptor. Science, 2017, vol. 355, pp. 280-284. Doblas V.G., Smakowska-Luzan E., Fujita S., Alassimone J., Barberon M., Madalinski M., Belkhadir Y., Geldner N. Root diffusion barrier control by a vasculature-derived peptide binding to the SGN3 receptor. Science, 2017, vol. 355, pp. 280-284. Couvreur V., Faget M., Lobet G., Javaux M., Chaumont F., Draye X. Going with the Flow: Multiscale Insights into the Composite Nature of Water Transport in Roots. Plant. Physiol., 2018, vol. 178, pp. 1689-1703. Couvreur V., Faget M., Lobet G., Javaux M., Chaumont F., Draye X. Going with the Flow: Multiscale Insights into the Composite Nature of Water Transport in Roots. Plant. Physiol., 2018, vol. 178, pp. 1689-1703. Anisimov A.V., Evarestov A.S., Ionenko I.F., Gusev N.A. Pulsed NMR method for estimation of intercellular water transport on symplasm. Dokl. Akad. Nauk SSSR, 1983, vol. 271, 1246-1249. Anisimov A.V., Evarestov A.S., Ionenko I.F., Gusev N.A. Pulsed NMR method for estimation of intercellular water transport on symplasm. Dokl. Akad. Nauk SSSR, 1983, vol. 271, 1246-1249. Anisimov A.V., Suslov M.A. Estimating the MRI contrasting agents effect on water permeability of plant cell membranes using the 1H NMR gradient technique. Applied Magnetic Resonance, 2021, vol. 52, no. 3, pp. 235-246, doi: 10.1007/s00723-021-01313-6. Anisimov A.V., Suslov M.A. Estimating the MRI contrasting agents effect on water permeability of plant cell membranes using the 1H NMR gradient technique. Applied Magnetic Resonance, 2021, vol. 52, no. 3, pp. 235-246, doi: 10.1007/s00723-021-01313-6. Fedorenko S., Stepanov A., Sibgatullina G., Samigullin D., Mukhitov A., Petrov K., Mendes R., Rümmeli M., Giebeler L., Weise B. Fluorescent Magnetic Nanoparticles for Modulating the Level of Intracellular Ca2+ in Motoneurons. Nanoscale, 2019, vol. 11, pp. 16103-16113. Fedorenko S., Stepanov A., Sibgatullina G., Samigullin D., Mukhitov A., Petrov K., Mendes R., Rümmeli M., Giebeler L., Weise B. Fluorescent Magnetic Nanoparticles for Modulating the Level of Intracellular Ca2+ in Motoneurons. Nanoscale, 2019, vol. 11, pp. 16103-16113. Fedorenko S., Stepanov A., Bochkova O., Kholin K., Nizameev I., Voloshina A., Tyapkina O., Samigullin D., Kleshnina S., Akhmadeev B., Romashchenko A., Zavjalov E., Amirov R., Mustafina A. Specific nanoarchitecture of silica nanoparticles codoped with the oppositely charged Mn2+ and Ru2+ complexes for dual paramagnetic-luminescent contrasting effects. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 2023, vol. 49, p. 102665. Fedorenko S., Stepanov A., Bochkova O., Kholin K., Nizameev I., Voloshina A., Tyapkina O., Samigullin D., Kleshnina S., Akhmadeev B., Romashchenko A., Zavjalov E., Amirov R., Mustafina A. Specific nanoarchitecture of silica nanoparticles codoped with the oppositely charged Mn2+ and Ru2+ complexes for dual paramagnetic-luminescent contrasting effects. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine, 2023, vol. 49, p. 102665.