RU2577995C1 - Method of elimination of bacterial infections during plating of cell cultures of plants using silver nanoparticles - Google Patents

Method of elimination of bacterial infections during plating of cell cultures of plants using silver nanoparticles Download PDF

Info

Publication number
RU2577995C1
RU2577995C1 RU2014148397/10A RU2014148397A RU2577995C1 RU 2577995 C1 RU2577995 C1 RU 2577995C1 RU 2014148397/10 A RU2014148397/10 A RU 2014148397/10A RU 2014148397 A RU2014148397 A RU 2014148397A RU 2577995 C1 RU2577995 C1 RU 2577995C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
cell cultures
silver nanoparticles
culture
plants
suspension
Prior art date
Application number
RU2014148397/10A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Татьяна Викторовна Авраменко
Юрий Николаевич Шкрыль
Виктор Павлович Булгаков
Галина Николаевна Веремейчик
Юрий Николаевич Журавлев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Биолого-почвенный институт Дальневосточного отделения Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Биолого-почвенный институт Дальневосточного отделения Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Биолого-почвенный институт Дальневосточного отделения Российской академии наук
Priority to RU2014148397/10A priority Critical patent/RU2577995C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2577995C1 publication Critical patent/RU2577995C1/en

Links

Landscapes

  • Micro-Organisms Or Cultivation Processes Thereof (AREA)
  • Agricultural Chemicals And Associated Chemicals (AREA)
  • Pharmaceuticals Containing Other Organic And Inorganic Compounds (AREA)

Abstract

FIELD: bioengineering.
SUBSTANCE: invention is the method of elimination of bacterial infections of cell cultures of plants, including plating of the suspension cell cultures using the antimicrobial agent, where the water suspension of silver nanoparticles with diameter 20-80 nm is used as the antimicrobial agent, it is added to the suspension of cell cultures until final concentration in the culture medium 50 mcg/ml, wherein the planting is performed 24 hours under standard conditions.
EFFECT: invention ensures sterilisation of the cell cultures of plants, and is accompanied by acceleration of the cultures cleaning of the infection, extended antibacterial action, and absence of the cytotoxic action.
2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к биотехнологии и может быть использовано для элиминации бактериальных инфекций при культивировании клеточных культур растений в биотехнологической отрасли.The invention relates to biotechnology and can be used to eliminate bacterial infections in the cultivation of plant cell cultures in the biotechnological industry.

Одним из основных условий, определяющих успех работы с клеточными культурами растений, является отсутствие контаминации на всех этапах культивирования. В процессе работы для обеспечения стерильности осуществляется ряд мер, в том числе автоклавирование питательных сред, дезинфекция используемого растительного материала, стерилизация рабочих инструментов, а также организация стерильных зон для пересадок [Leifert С. and Waites W. Dealing with microbial contaminants in plant tissue and cell culture: hazard analysis and critical control points. Physiology, Growth and Development of Plants in Culture. 1994. Pp. 363-378; Reed В. M and Tanprasert P. Detection and control of bacterial contaminants of plant tissue cultures. A review of recent literature. Plant Tissue Culture and Biotechnology. 1995. 1:137-142]. Несмотря на соблюдение стерильных условий при работе с клеточными культурами, избежать спонтанных бактериальных заражений не удается, что приводит к гибели культуры и увеличению финансовых затрат на ее восстановление. Это происходит как в научно-исследовательских лабораториях, так и в условиях промышленного производства, когда несколько бактерий, попавших в биореактор, например объемом 4 т, способны полностью подавить рост растительных клеток за счет своего более быстрого размножения [Leifert С. & Woodward S. Laboratory contamination management: the requirement for microbiological quality assurance. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 1998. 52:83-88; Cassells A. Pathogen and Biological Contamination Management in Plant Tissue Culture: Phytopathogens, Vitro Pathogens, and Vitro Pests. Plant Cell Culture Protocols: Methods in Molecular Biology. 2012. 877:57-80; Hayward A. Latent infections by bacteria. Annu. Rev. Phytopathol. 1974. 12:87-97]. Кроме того, удаление потенциально опасных для человека бактерий из культур растительных клеток (E. coli и др.) также актуально [С. Leifert; А.С. Cassells. Microbial hazards in plant tissue and cell cultures. In Vitro Cellular & Developmental Biology - Plant 2090 Vol: 37(2):133-138].One of the main conditions that determine the success of working with plant cell cultures is the lack of contamination at all stages of cultivation. In the process, a number of measures are taken to ensure sterility, including autoclaving nutrient media, disinfecting the plant material used, sterilizing work tools, and organizing sterile transplant areas [Leifert C. and Waites W. Dealing with microbial contaminants in plant tissue and cell culture: hazard analysis and critical control points. Physiology, Growth and Development of Plants in Culture. 1994. Pp. 363-378; Reed B. M and Tanprasert P. Detection and control of bacterial contaminants of plant tissue cultures. A review of recent literature. Plant Tissue Culture and Biotechnology. 1995.1: 137-142]. Despite the observance of sterile conditions when working with cell cultures, spontaneous bacterial infections cannot be avoided, which leads to the death of the culture and an increase in financial costs for its restoration. This happens both in research laboratories and in industrial production, when several bacteria that enter the bioreactor, for example 4 tons, are able to completely suppress the growth of plant cells due to their faster reproduction [Leifert C. & Woodward S. Laboratory contamination management: the requirement for microbiological quality assurance. Plant Cell, Tissue and Organ Culture. 1998. 52: 83-88; Cassells A. Pathogen and Biological Contamination Management in Plant Tissue Culture: Phytopathogens, Vitro Pathogens, and Vitro Pests. Plant Cell Culture Protocols: Methods in Molecular Biology. 2012.877: 57-80; Hayward A. Latent infections by bacteria. Annu. Rev. Phytopathol. 1974. 12: 87-97]. In addition, the removal of potentially dangerous bacteria for humans from plant cell cultures (E. coli and others) is also relevant [S. Leifert; A.S. Cassells. Microbial hazards in plant tissue and cell cultures. In Vitro Cellular & Developmental Biology - Plant 2090 Vol: 37 (2): 133-138].

В медицине, в качестве антибактериальных агентов используют наночастицы серебра, которые ингибируют внутрибольничные инфекции (hospital-acquired infection), устойчивые к антибиотикам [Rana S. And Kalaichelvan P. Antibacterial Activities of Metal Nanoparticles. Adv Bio Tech. 2011. 11(02):21-23; Mohammad J. et al. Antibacterial properties of nanoparticles. Trends in biotechnology. 2012. 30 (10):499-511; Azam A. et al. Antimicrobial activity of metal oxide nanoparticles against Gram-positive and Gram-negative bacteria: a comparative study. Int J Nanomedicine. 2012. 7:6003-9].In medicine, silver nanoparticles that inhibit hospital-acquired infections resistant to antibiotics are used as antibacterial agents [Rana S. And Kalaichelvan P. Antibacterial Activities of Metal Nanoparticles. Adv Bio Tech. 2011.11 (02): 21-23; Mohammad J. et al. Antibacterial properties of nanoparticles. Trends in biotechnology. 2012.30 (10): 499-511; Azam A. et al. Antimicrobial activity of metal oxide nanoparticles against Gram-positive and Gram-negative bacteria: a comparative study. Int J Nanomedicine. 2012.7: 6003-9].

В этом изобретении авторы используют такой же принцип действия наночастиц серебра, какой используется для воздействия на госпитальные инфекции, но в другой области - биотехнологии растений, где он прежде не использовался. Предпосылка использования наночастиц серебра в биотехнологии - та же самая, то есть замена стандартных веществ на новый класс дезинфектантов.In this invention, the authors use the same principle of action of silver nanoparticles, which is used to affect hospital infections, but in another area - plant biotechnology, where it has not been used before. The premise of using silver nanoparticles in biotechnology is the same, that is, the replacement of standard substances with a new class of disinfectants.

Антибактериальный эффект наночастиц обусловлен их способностью к последовательному повреждению клеточной стенки и проникновению внутрь бактерии, что приводит к запуску процессов дефосфорилирования белков, необходимых для обеспечения жизнедеятельности, а это в свою очередь к гибели бактерий [Shrivastava S. et al. Characterization of enhanced antibacterial effects of novel silver nanoparticles. Nanotechnology. 2007. 18:225103]. Эффективность использования наночастиц серебра в качестве бактерицидного агента была исследована в отношении широкого спектра возбудителей инфекций [Galdiero S. et al. Silver nanoparticles as potential antiviral agents. Molecules. 2011. 16:8894-8918].The antibacterial effect of nanoparticles is due to their ability to sequentially damage the cell wall and penetrate into the bacteria, which leads to the initiation of protein dephosphorylation processes necessary to ensure vital activity, and this in turn leads to the death of bacteria [Shrivastava S. et al. Characterization of enhanced antibacterial effects of novel silver nanoparticles. Nanotechnology. 2007. 18: 225103]. The efficacy of using silver nanoparticles as a bactericidal agent has been investigated for a wide range of pathogens [Galdiero S. et al. Silver nanoparticles as potential antiviral agents. Molecules 2011.16: 8894-8918].

В последние годы появились публикации, свидетельствующие о возможном использовании наночастиц металлов в качестве антибактериального агента для обеззараживания растительных эксплантов, т.е. первичного материала, используемого для введения в культуру in vitro [Mahna N., Vahed S. and Khani S. Plant In vitro Culture goes Nano: Nanosilver-Mediated Decontamination of Ex vitro Explants. J Nanomed Nanotechol. 2013. 4(2):1000161; Abdi G. Evaluation the potential of Nano silver for removal of bacterial contaminants in valerian (Valeriana officinalis) tissue culture. L. J. BIOL. ENVIRON. SCI. 2012. 6(17):199-205]. Однако для обеззараживания клеточных культур растений наночастицы серебра или других металлов ранее не использовались. Важным параметром использования наночастиц металлов в качестве противомикробных агентов является их размер [Ai J. et al. Nanotoxicology and nanoparticle safety in biomedical designs. Inter. J Nanomedicine 2011.6:1117-1127]. Крупные наночастицы, размером более 100 нм, практически не используются, поскольку они не эффективны. Частицы размером до 20 нм нашли широкое техническое применение, однако с уменьшением размеров частиц повышается их токсичность для живых организмов. Чем мельче частицы, тем выше их противомикробная активность. Однако частицы серебра размером менее 15 нм способны вызывать окислительный взрыв, что приводит к деструктивным изменениям клеток [Carlson С. et al. Unique cellular interaction of silver nanoparticles: size-dependent generation of reactive oxygen species. J Phys Chem B. 2008. 112(43):13608-19; Liu W. et al. Impact of silver nanoparticles on human cells: effect of particle size. Nanotoxicology. 2010. 4(3):319-30].In recent years, publications have appeared that indicate the possible use of metal nanoparticles as an antibacterial agent for the disinfection of plant explants, i.e. primary material used for in vitro culture [Mahna N., Vahed S. and Khani S. Plant In vitro Culture goes Nano: Nanosilver-Mediated Decontamination of Ex vitro Explants. J Nanomed Nanotechol. 2013.4 (2): 1000161; Abdi G. Evaluation the potential of Nano silver for removal of bacterial contaminants in valerian (Valeriana officinalis) tissue culture. L. J. BIOL. ENVIRON. SCI. 2012.6 (17): 199-205]. However, silver or other metal nanoparticles have not been previously used to disinfect plant cell cultures. An important parameter for the use of metal nanoparticles as antimicrobial agents is their size [Ai J. et al. Nanotoxicology and nanoparticle safety in biomedical designs. Inter. J Nanomedicine 2011.6: 1117-1127]. Large nanoparticles larger than 100 nm are practically not used, since they are not effective. Particles up to 20 nm in size have found wide technical application, however, with a decrease in particle size, their toxicity to living organisms increases. The smaller the particles, the higher their antimicrobial activity. However, silver particles smaller than 15 nm in size can cause an oxidative explosion, which leads to destructive changes in cells [Carlson C. et al. Unique cellular interaction of silver nanoparticles: size-dependent generation of reactive oxygen species. J Phys Chem B. 2008. 112 (43): 13608-19; Liu W. et al. Impact of silver nanoparticles on human cells: effect of particle size. Nanotoxicology. 2010.4 (3): 319-30].

В настоящее время в растительной биотехнологии нет другого способа элиминации бактериальных инфекций в живых клеточных культурах, поэтому поиск нового, более эффективного, является актуальным. Задача настоящего изобретения - создание нового способа эффективной элиминации инфекции, с использованием агента, обеспечивающего пролонгированную антибактериальную устойчивость культуры и отсутствие цитотоксическое действия. Не было очевидным то, что наночастицы серебра будут эффективны в клеточных культурах растений, поскольку ранее их действие не проверялось. Так, взаимодействие с элементами культуральной среды (22 компонента) и высокомолекулярными соединениями (белки и полисахариды, выделяемые в среду) не исследовалось, также не исследовались стабильность и активность наночастиц в этих системах. Способ использования наночастиц металлов для элиминации инфекции, описанный в данной заявке на примере наночастиц серебра, на сегодня является первым примером применения новых научных знаний в биотехнологии клеточных культур растений.Currently, in plant biotechnology there is no other way to eliminate bacterial infections in living cell cultures, so the search for a new, more effective one is relevant. The present invention is the creation of a new method for the effective elimination of infection, using an agent that provides prolonged antibacterial resistance of the culture and the absence of cytotoxic effects. It was not obvious that silver nanoparticles will be effective in cell cultures of plants, since their effect has not been previously tested. Thus, the interaction with the elements of the culture medium (22 components) and high molecular weight compounds (proteins and polysaccharides secreted into the medium) was not studied, and the stability and activity of nanoparticles in these systems were also not studied. The method of using metal nanoparticles to eliminate infection, described in this application as an example of silver nanoparticles, is today the first example of the application of new scientific knowledge in the biotechnology of plant cell cultures.

Наиболее распространенным способом элиминации возникающих бактериальных инфекций при культивировании клеток растений является внесение антибиотиков в питательные среды [Fellner et al. Identification and antibiotic sensitivity of microbial contaminants from callus cultures of garlic Allium sativum L. and Allium longicuspis Regel. Plant Science. 1996. 113:193-201]. Однако в процессе применения антибиотиков многие бактерии приобретают устойчивость к ним [Schmieder R. and Disclosures R. Insights into Antibiotic Resistance Through Metagenomic Approaches. Future Microbiol. 2012. 7(l):73-89; Dever L. and Dermody T. Mechanisms of bacterial resistance to antibiotics. Arch Intern Med. 1991. 151(5):886-95; Dessen A. et al. Molecular mechanisms of antibiotic resistance in gram-positive pathogens. Curr. Drug Targets Infect. Dis. 2001. 1:63-77]. Другим недостатком антибиотиков является цитотоксический эффект в отношении культивируемых клеток, что негативно сказывается на параметрах роста биомассы, либо вызывает гибель культуры [Catlin D. The effect of antibiotics on the inhibition of callus induction and plant regeneration from cotyledons of sugarbeet (Beta vulgaris L.). Plant Cell Reports. 1990. 9(5):285-8; Cassels A. Problems in tissue culture: Culture contamination. Micropropagation: technology and application. 1991. Pp. 31-44]. Важно также отметить низкую химическую устойчивость антибиотиков к факторам окружающей среды в процессе культивирования. Так, период распада антибиотиков составляет 2-3 суток, что иногда является недостаточным для подавления роста бактерий [Kazemi ЕМ, Jonoubi Р, Majd A and Pazhouhandeh М. 2014. Reduction of negative effects of cefotaxime in tomato transformation by using FeEDDHA. IJFAS Journal. Vol 3, p. 538-542; de Oliveira ML, Costa MG, da Silva CV and Otoni WC. 2010. Growth regulators, culture media and antibiotics in the in vitro shoot regeneration from mature tissue of citrus cultivars. Pesq. agropec. bras., Brasilia, v.45, p. 654-660].The most common way to eliminate emerging bacterial infections during the cultivation of plant cells is the introduction of antibiotics into culture media [Fellner et al. Identification and antibiotic sensitivity of microbial contaminants from callus cultures of garlic Allium sativum L. and Allium longicuspis Regel. Plant Science. 1996. 113: 193-201]. However, with antibiotics, many bacteria become resistant to them [Schmieder R. and Disclosures R. Insights into Antibiotic Resistance Through Metagenomic Approaches. Future Microbiol. 2012.7 (l): 73-89; Dever L. and Dermody T. Mechanisms of bacterial resistance to antibiotics. Arch Intern Med. 1991.151 (5): 886-95; Dessen A. et al. Molecular mechanisms of antibiotic resistance in gram-positive pathogens. Curr. Drug Targets Infect. Dis. 2001. 1: 63-77]. Another disadvantage of antibiotics is the cytotoxic effect on cultured cells, which negatively affects the biomass growth parameters or causes culture death [Catlin D. The effect of antibiotics on the inhibition of callus induction and plant regeneration from cotyledons of sugarbeet (Beta vulgaris L.) . Plant Cell Reports. 1990.9 (5): 285-8; Cassels A. Problems in tissue culture: Culture contamination. Micropropagation: technology and application. 1991. Pp. 31-44]. It is also important to note the low chemical resistance of antibiotics to environmental factors during cultivation. Thus, the decay period of antibiotics is 2-3 days, which is sometimes insufficient to inhibit bacterial growth [Kazemi EM, Jonoubi P, Majd A and Pazhouhandeh M. 2014. Reduction of negative effects of cefotaxime in tomato transformation by using FeEDDHA. IJFAS Journal. Vol 3, p. 538-542; de Oliveira ML, Costa MG, da Silva CV and Otoni WC. 2010. Growth regulators, culture media and antibiotics in the in vitro shoot regeneration from mature tissue of citrus cultivars. Pesq. agropec. bras., Brasilia, v. 45, p. 654-660].

Авторам не известны другие способы элиминации бактериальных инфекций в культивируемых клетках растений, поэтому данный способ взят как наиболее близкий, в качестве прототипа. Известен способ элиминации бактериальных инфекций при культивировании клеточных культур чеснока Allium sativum L., Allium longicuspis Regel, где в качестве антибактериального агента культуральной среды используют антибиотики - эритромицин, гентамицин и имипенем [Feltner М. et al. Identification and antibiotic sensitivity of microbial contaminants from callus cultures of garlic Allium sativum L. and Allium longicuspis Regel. Plant Science. 1996. 113:193-201], однако одним из недостатков способа является невозможность быстро и эффективно элиминировать инфекцию, обеспечить длительную антибактериальную устойчивость культуры. Причина в том, что многие представители бактериальной микрофлоры, инфицирующие клеточные культуры, выработали механизмы защиты от поражающего действия антибиотиков, использование которых становится малоэффективным или критичным по причине цитотоксического эффекта. Кроме того, неустойчивость антибиотиков к факторам окружающей среды зачастую не позволяет надежно уничтожить бактериальную контаминацию.The authors are not aware of other methods of eliminating bacterial infections in cultured plant cells, therefore this method is taken as the closest, as a prototype. A known method for the elimination of bacterial infections in the cultivation of cell cultures of garlic Allium sativum L., Allium longicuspis Regel, where antibiotics erythromycin, gentamicin and imipenem are used as an antibacterial agent of the culture medium [M. Feltner et al. Identification and antibiotic sensitivity of microbial contaminants from callus cultures of garlic Allium sativum L. and Allium longicuspis Regel. Plant Science. 1996. 113: 193-201], however, one of the disadvantages of the method is the inability to quickly and effectively eliminate the infection, to ensure long-term antibacterial resistance of the culture. The reason is that many representatives of bacterial microflora infecting cell cultures have developed mechanisms of protection against the damaging effects of antibiotics, the use of which becomes ineffective or critical due to the cytotoxic effect. In addition, the instability of antibiotics to environmental factors often does not allow reliable destruction of bacterial contamination.

Каллусы Allium sativum L. и Allium longicuspis Regel культивировали в темноте при 25°C на агаризованной питательной среде [Dunstan and Short. Improved growth of tissue cultures of the onion, Allium сера. 1997. Physiologia Plantarum. 41:70-72]. При визуальном обнаружении инфекционных очагов, зараженные каллусы пересаживали на свежие питательные среды с добавлением антибиотиков. Наличие инфекции определяли по возникновению светло-желтых колоний после инкубации с антибиотиками. Проводили учет колоний. Было показано, что только совместное добавление в культуральную среду трех антибиотиков (эритромицина, гентамицина и имипенема в концентрации 10, 10 и 5 мг/л соответственно) приводило к полному ингибированию бактериальной инфекции в культурах Allium sativum и Allium longicuspis. Однако в культуре A. longicuspis были обнаружены бактерии в латентном состоянии.Calli of Allium sativum L. and Allium longicuspis Regel were cultured in the dark at 25 ° C on an agarized nutrient medium [Dunstan and Short. Improved growth of tissue cultures of the onion, Allium sulfur. 1997. Physiologia Plantarum. 41: 70-72]. Upon visual detection of infectious foci, infected calluses were transplanted onto fresh growth media with the addition of antibiotics. The presence of infection was determined by the appearance of light yellow colonies after incubation with antibiotics. Colonies were counted. It was shown that only the simultaneous addition of three antibiotics to the culture medium (erythromycin, gentamicin and imipenem at a concentration of 10, 10 and 5 mg / l, respectively) led to a complete inhibition of bacterial infection in cultures of Allium sativum and Allium longicuspis. However, in a culture of A. longicuspis, latent bacteria were detected.

Поставленная задача решена тем, что в предлагаемом способе, включающем культивирование суспензионных клеточных культур растений, согласно изобретению, элиминацию бактериальной инфекции проводят путем внесения в культуральную среду, в качестве антибактериального агента, водной суспензии наночастиц серебра диаметром 20-80 нм в конечной концентрации 50 мкг/мл и культивируют 24 часа в стандартных условиях.The problem is solved in that in the proposed method, including the cultivation of suspension cell cultures of plants, according to the invention, the elimination of bacterial infection is carried out by introducing into the culture medium, as an antibacterial agent, an aqueous suspension of silver nanoparticles with a diameter of 20-80 nm in a final concentration of 50 μg / ml and cultured 24 hours under standard conditions.

Технический результат, обеспечиваемый изобретением, заключается в достижении эффекта обеззараживания культур, сопровождаемым ускорением процесса очистки культур от инфекции, пролонгированным антибактериальным действием, и отсутствием цитотоксического действия.The technical result provided by the invention is to achieve the effect of disinfection of crops, accompanied by an acceleration of the process of cleaning crops from infection, prolonged antibacterial action, and the absence of cytotoxic effect.

Эффективность способа элиминации бактериальной контаминации при культивировании суспензионных клеточных культурах растений с использованием наночастиц серебра была исследована в отношении разных видов микроорганизмов как грамположительных, так и грамотрицательных - Escherichia coli, Bacillus subtilis, Agrobacterium rhizogenes и модельных культур растений - марены сердцелистной Rubia cordifolia, винограда амурского Vitis vinifera и женьшеня настоящего Panax ginseng.The effectiveness of the method of eliminating bacterial contamination during the cultivation of suspension cell cultures of plants using silver nanoparticles was studied for different types of microorganisms, both gram-positive and gram-negative - Escherichia coli, Bacillus subtilis, Agrobacterium rhizogenes and model plant cultures - madder heart-shaped Rubia cordifolia, grapes vinifera and ginseng present Panax ginseng.

Суспензионные каллусные культуры растений Rubia cordifolia, Vitis vinifera, Panax ginseng культивируют стандартным способом на питательных средах WB/A в темноте при 20-30°C, относительной влажности воздуха 50-80% с периодичностью пассирования 14-21 суток [Mischenko N.P., Fedoreyev S.A., Glazunov V.P., Chernoded G.K., Bulgakov V.P., Zhuravlev Y.N. Anthraquinone production by callus cultures of Rubia cordifolia. Fitoterapia. 1999. V. 70. N6. P. 552-557].Suspension callus cultures of plants Rubia cordifolia, Vitis vinifera, Panax ginseng are cultivated in the standard way on W B / A nutrient media in the dark at 20-30 ° C, relative humidity 50-80% with a passivity of 14-21 days [Mischenko NP, Fedoreyev SA, Glazunov VP, Chernoded GK, Bulgakov VP, Zhuravlev YN Anthraquinone production by callus cultures of Rubia cordifolia. Fitoterapia. 1999. V. 70. N6. P. 552-557].

Далее, полученные суспензионные культуры растений искусственно инфицируют, моделируя контаминацию в промышленных условиях. Для этого используют суточные культуры Escherichia coli, Bacillus subtilis, Agrobacterium rhizogenes. Бактерии выращивают при температуре 28°C в известной бактериальной среде LB [Feltner М. et al. Identification and antibiotic sensitivity of microbial contaminants from callus cultures of garlic Allium sativum L. and Allium longicuspis Regel. Plant Science. 1996. 113:193-201]. Заражение осуществляют путем кокультивации клеточных культур с 20 мкл бактерий в концентрации 1×106 КОЕ/мл, в темноте, при температуре 23-26°C и постоянном помешивании со скоростью 100 об/мин, в течение 30 минут.Further, the resulting suspension plant cultures artificially infect, simulating contamination in an industrial environment. For this, daily cultures of Escherichia coli, Bacillus subtilis, Agrobacterium rhizogenes are used. Bacteria are grown at a temperature of 28 ° C in a known bacterial medium LB [Feltner M. et al. Identification and antibiotic sensitivity of microbial contaminants from callus cultures of garlic Allium sativum L. and Allium longicuspis Regel. Plant Science. 1996. 113: 193-201]. Infection is carried out by co-cultivation of cell cultures with 20 μl of bacteria at a concentration of 1 × 10 6 CFU / ml, in the dark, at a temperature of 23-26 ° C and constant stirring at a speed of 100 rpm for 30 minutes.

Для удаления искусственно-индуцированного бактериального заражения, в колбы с зараженными клеточными культурами добавляют водную суспензию наночастиц серебра диаметром 20-80 нм до конечной концентрации 50 мкг/мл и культивируют 24 часа в стандартных условиях: в темноте, при перемешивании со скоростью 100 об/мин, температуре 23-26°C и относительной влажности воздуха 50-70%. Для элиминации используют любые коммерчески доступные наночастицы серебра указанного размера. По истечении суток очищенные от инфекции каллусы используют по назначению.To remove artificially induced bacterial infection, an aqueous suspension of silver nanoparticles with a diameter of 20-80 nm was added to flasks with infected cell cultures to a final concentration of 50 μg / ml and cultured for 24 hours under standard conditions: in the dark, with stirring at a speed of 100 rpm , temperature 23-26 ° C and relative humidity 50-70%. For the elimination of using any commercially available silver nanoparticles of the specified size. After a day, the calluses purified from the infection are used for their intended purpose.

Оценку качества и скорости элиминации проводят с помощью известного метода бактериологического исследования, путем высевания сплошным газоном аликвоты культуральной жидкости на бактериальной среде LB. Бактериологические тесты проводят через сутки после добавления в культуру суспензии наночастиц и с интервалом в 7 и 14 суток. Результаты экспериментов показали, что полная элиминация инфекции происходит через сутки после введения водной суспензии наночастиц серебра в концентрации 50 мкг/мл и сохраняется в течение всего эксперимента (таблица 1).Evaluation of the quality and rate of elimination is carried out using the well-known method of bacteriological research, by sowing a solid lawn aliquots of the culture fluid on the bacterial medium LB. Bacteriological tests are carried out one day after adding a suspension of nanoparticles to the culture and with an interval of 7 and 14 days. The results of the experiments showed that complete elimination of the infection occurs one day after the introduction of an aqueous suspension of silver nanoparticles at a concentration of 50 μg / ml and remains throughout the experiment (table 1).

Для подтверждения эффективности элиминации и длительности антибактериального эффекта, очищенные суспензионные культуры переносят на питательные среды WB/A, не содержащие наночастицы серебра, и выращивают в стандартных условиях в течение нескольких пассажей. Отсутствие бактериального заражения в культурах свидетельствует об эффективности использования наночастиц серебра в качестве антибактериального агента.To confirm the effectiveness of elimination and the duration of the antibacterial effect, the purified suspension cultures are transferred to W B / A growth media containing no silver nanoparticles and grown under standard conditions for several passages. The absence of bacterial infection in cultures indicates the effectiveness of using silver nanoparticles as an antibacterial agent.

Известно, что наночастицы серебра широко применяются в различных отраслях промышленности [Shankar S.S. et al. Biological Synthesis of Triangular Gold Nanoprisms. Nature Materials. 2004. 3:482-488; Mohanpuria P. et al. Biosynthesis of nanoparticles: technological concepts and future applications. J Nanopart Res. 2008. 10:507-517], но пo причине токсичности наночастиц серебра, область их применения для человека и животных ограничена [Carlson С. et al. Unique cellular interaction of silver nanoparticles: size-dependent generation of reactive oxygen species. J Phys Chem B. 2008. 112(43):13608-19; Liu W. et al. Impact of silver nanoparticles on human cells: effect of particle size. Nanotoxicology. 2010. 4(3):319-30]. Однако авторами установлено, что наночастицы серебра проявляют низкую токсичность в отношении клеток растений. Так, результаты экспериментов показали, что внесение наночастиц серебра в культуральную среду не подавляло рост биомассы, что свидетельствовало об отсутствии цитотоксического эффекта (таблица 2).It is known that silver nanoparticles are widely used in various industries [Shankar S.S. et al. Biological Synthesis of Triangular Gold Nanoprisms. Nature Materials. 2004.3: 482-488; Mohanpuria P. et al. Biosynthesis of nanoparticles: technological concepts and future applications. J Nanopart Res. 2008. 10: 507-517], but due to the toxicity of silver nanoparticles, their scope for humans and animals is limited [Carlson C. et al. Unique cellular interaction of silver nanoparticles: size-dependent generation of reactive oxygen species. J Phys Chem B. 2008. 112 (43): 13608-19; Liu W. et al. Impact of silver nanoparticles on human cells: effect of particle size. Nanotoxicology. 2010.4 (3): 319-30]. However, the authors found that silver nanoparticles exhibit low toxicity to plant cells. Thus, the experimental results showed that the introduction of silver nanoparticles into the culture medium did not suppress the growth of biomass, which indicated the absence of a cytotoxic effect (table 2).

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

Способ иллюстрируется следующим примером.The method is illustrated by the following example.

Пример 1. Показан способ элиминации контаминации на примере культуры марены сердцелистной Rubia cordifolia, как вариант использования любой суспензионной клеточной культуры. Суспензионную клеточную культуру R. cordifolia выращивают стандартным методом в колбах Эрленмейера объемом 250 мл, содержащих 50 мл питательной среды WB/A следующего состава, мг/л воды:Example 1. The method of elimination of contamination is shown using the example of the madder heart culture Rubia cordifolia as an option for using any suspension cell culture. Suspension cell culture R. cordifolia is grown by the standard method in 250 ml Erlenmeyer flasks containing 50 ml of W B / A culture medium of the following composition, mg / l of water:

NH4NO3 NH 4 NO 3 400400 KNO3 Kno 3 19001900 СаС12*6H2OCaCl 2 * 6H 2 O 665665 MgSO4 MgSO 4 370370 КН2РО4 KN 2 RO 4 170170 Н3ВО3 H 3 IN 3 6.26.2 MnSO4 MnSO 4 16.916.9 СоС12*6H2OCoC1 2 * 6H 2 O 0.0250.025 CuSO4*5H2OCuSO 4 * 5H 2 O 0.0250.025 ZnSO4*7H2OZnSO 4 * 7H 2 O 8.68.6 NaMoO4*2H2ONaMoO 4 * 2H 2 O 0.250.25 KIKi 0.830.83 FeSO4*7H2OFeSO 4 * 7H 2 O 27.827.8 2ЭДТА*2H2ONa 2 EDTA * 2H 2 O 37.337.3 Мезо-инозитолMeso-inositol 100one hundred Витамин B1 Vitamin B 1 0.20.2 Витамин B6 Vitamin B 6 0.50.5 Витамин PPVitamin PP 0.50.5 СахарозаSucrose 2500025000 ВодаWater 10001000

Суспензионную культуру выращивают на указанной среде при постоянном помешивании со скоростью 100 об/мин, при температуре 25°C и относительной влажности воздуха 60%, в течение 14 суток. В случае обнаружения бактериальной инфекции, либо при риске микробной контаминации, в суспензионную клеточную культуру добавляют наночастицы серебра диаметром 20-80 нм до конечной концентрации в культуральной среде 50 мкг/мл. Далее суспензионную культуру культивируют 24 часа в аналогичных условиях.Suspension culture is grown on the specified medium with constant stirring at a speed of 100 rpm, at a temperature of 25 ° C and a relative humidity of 60%, for 14 days. If a bacterial infection is detected, or at the risk of microbial contamination, silver nanoparticles with a diameter of 20-80 nm are added to the suspension cell culture to a final concentration in the culture medium of 50 μg / ml. The suspension culture is then cultured for 24 hours under similar conditions.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет быстро и эффективно провести элиминацию бактериальных инфекций при культивировании клеточных культур растений. Использование наночастиц серебра в качестве нового антибактериального агента позволяет повысить устойчивость культуры к действию микробных контаминантов и обеспечить длительный антабактериальный эффект. Отсутствие цитотоксического действия наночастиц позволяет применять способ не только для элиминации уже возникшей инфекции, но и для защиты каллусов от возможной контаминации в процессе культивирования в лабораторных или промышленных условиях.Thus, the proposed method allows you to quickly and effectively carry out the elimination of bacterial infections during the cultivation of cell cultures of plants. The use of silver nanoparticles as a new antibacterial agent makes it possible to increase the resistance of the culture to the action of microbial contaminants and to provide a long-term anti-bacterial effect. The absence of the cytotoxic effect of nanoparticles allows the method to be used not only to eliminate an infection that has already occurred, but also to protect calluses from possible contamination during cultivation in laboratory or industrial conditions.

Claims (1)

Способ элиминации бактериальной инфекции клеточных культур растений, включающий культивирование суспензионных клеточных культур с использованием антибактериального агента, отличающийся тем, что в качестве антибактериального агента используют водную суспензию наночастиц серебра диаметром 20-80 нм, которую вносят в суспензионную клеточную культуру до конечной концентрации в культуральной среде 50 мкг/мл, при этом культивирование осуществляют 24 часа в стандартных условиях. A method for eliminating a bacterial infection of plant cell cultures, including culturing suspension cell cultures using an antibacterial agent, characterized in that an aqueous suspension of silver nanoparticles with a diameter of 20-80 nm is used as an antibacterial agent, which is introduced into the suspension cell culture to a final concentration in the culture medium 50 μg / ml, while cultivation is carried out 24 hours under standard conditions.
RU2014148397/10A 2014-12-01 2014-12-01 Method of elimination of bacterial infections during plating of cell cultures of plants using silver nanoparticles RU2577995C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014148397/10A RU2577995C1 (en) 2014-12-01 2014-12-01 Method of elimination of bacterial infections during plating of cell cultures of plants using silver nanoparticles

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014148397/10A RU2577995C1 (en) 2014-12-01 2014-12-01 Method of elimination of bacterial infections during plating of cell cultures of plants using silver nanoparticles

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2577995C1 true RU2577995C1 (en) 2016-03-20

Family

ID=55648113

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014148397/10A RU2577995C1 (en) 2014-12-01 2014-12-01 Method of elimination of bacterial infections during plating of cell cultures of plants using silver nanoparticles

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2577995C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021148914A1 (en) * 2020-01-23 2021-07-29 Clearleaf Methods of using a colloidal silver-based composition in reducing or preventing microbial contamination in plants or explants in tissue culture processes

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FELLNER M, et al, Identification and antibiotic sensitivity of microbial contaminats from callus cultures of garlic Allium sativum L. and Allium longicuspis Regel, Plant Science 113, 1996, p.193-201. SARMAST M.K., Nano silver treatment is effective in reducing bacterial contaminations of Fraucaria excelsa R. BR.Var. Glauca explants, Acta Biol Hung, 2011, Dec, 62 (4), p.477-484. ЗОНТИКОВ Д.Н., Усовершенствование элементов технологии получения удвоенных гаплоидов капусты белокочанной в культуре микроспор, автореферат диссертации, Москва, 2009,с.4-25. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021148914A1 (en) * 2020-01-23 2021-07-29 Clearleaf Methods of using a colloidal silver-based composition in reducing or preventing microbial contamination in plants or explants in tissue culture processes

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Srivastava et al. Biofilms and human health
Tyagi et al. Identification and prevention of bacterial contimination on explant used in plant tissue culture labs
Safavi Evaluation of using nanomaterial in tissue culture media and biological activity
Patel et al. Microbial biofilms: microbes in social mode
KR20220041222A (en) Santomonas phage capable of interspecies lysis and combinations, kits and applications thereof
Solomon et al. Use of fluorescent microspheres as a tool to investigate bacterial interactions with growing plants
Mahadevamurthy et al. Antibacterial potential of fungal endophytes isolated from Boerhaavia diffusa L.
Chakraborty et al. 3, 6-Di (pyridin-2-yl)-1, 2, 4, 5-tetrazine (pytz)-capped silver nanoparticles (TzAgNPs) inhibit biofilm formation of Pseudomonas aeruginosa: a potential approach toward breaking the wall of biofilm through reactive oxygen species (ROS) generation
Davids et al. Biocontrol of bacteria associated with pine wilt nematode, Bursaphelenchus xylophilus by using plant mediated gold nanoparticles.
Leelavathy et al. Curbing the Menace of Contamination in Plant Tissue Culture.
Umamageswari et al. Evaluation of antibacterial activity of zinc oxide nanoparticles against biofilm producing methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA)
RU2577995C1 (en) Method of elimination of bacterial infections during plating of cell cultures of plants using silver nanoparticles
Cooper et al. Biofilms, wound infection and the issue of control
Bokaeian et al. The antibacterial activity of silver nanoparticles produced in the plant Sesamum indicum seed extract: a green method against multi-drug resistant Escherichia coli
Gioi et al. The effects of different concentrations of nano silver on elimination of bacterial contaminations and stimulation of morphogenesis of Sorbonne lily in vitro culture
Abdi Evaluation the potential of Nano silver for removal of bacterial contaminants in valerian (Valeriana officinalis L.) tissue culture
Ghada et al. Golden apple snail eggs extract: biosynthesis of nanoparticles and its antibacterial effect
Punitha et al. In vitro antibacterial activity of essential plant oils against biofilm forming methicillin resistant staphylococcus aureus
Vosoughian et al. Green synthesis of zinc oxide nanoparticles using novel bacterium strain (Bacillus subtilis NH1-8) and their in vitro antibacterial and antibiofilm activities against Salmonella typhimurium
Meyer et al. The use of antibiotics to control systemic bacteria in in vitro cultures of Piper nigrum cv Kuching
Dangariya et al. Detection and identification of microbial contaminants from plant tissue culture
Agha Effect of some plant oils on swarming motility and Biofilm formation in Proteus, Aeromonas, and Pseudomonas
Markelova The Potential of Bdellovibrio For the Biocontrol of the Infectious Agent Vibrio cholerae
de Oliveira et al. Biochemical characterization of systemic bacteria in bananas, sensitivity to antibiotics and plant phytotoxicity during shoot proliferation.
Rammo The Role of MgO and CaO Nano-Particles on Staphylococcus Epidermidis Isolated from Catheter Indwelling Patients.

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner