vestnik-bio-msuВестник Московского университета. Серия 16. БиологияVestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 16. Biologiya0137-0952Lomonosov Moscow State University, School of Biologyvestnik-bio-msu-965Research ArticleОРИГИНАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕRESEARCH ARTICLEДействие низкомолекулярного хитозана на клетки эпидермиса из листьев горохаEffect of low molecular weight chitosan on epidermal cells from pea leaveshttps://orcid.org/0000-0001-6050-2940КиселевскийД. Б.KiselevskyD. V.

Киселевский Дмитрий Борисович – кандидат биологических наук, старший научный сотрудник кафедры иммунологии биологического факультета

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Department of Immunology, School of Biology

Leninskiye gory 1–12, Moscow, 119234

dkiselevs@mail.ruШагдароваБ. Ц.ShagdarovaB. Ts.

Шагдарова Бальжима Цырендоржиевна – кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории инженерии биополимеров Института биоинженерии

119071, г. Москва, Ленинский пр-т, д. 33, стр. 2

Laboratory of Biopolymer Engineering, Institute of Bioengineering

Leninsky ave. 33/2, Moscow, 119071

shagdarova.bal@gmail.comВарламовВ. П.VarlamovV. P.

Варламов Валерий Петрович – доктор биологических наук, профессор, зав. лабораторией инженерии биополимеров Института биоинженерии

119071, г. Москва, Ленинский пр-т, д. 33, стр. 2

Laboratory of Biopolymer Engineering, Institute of Bioengineering

Leninsky ave. 33/2, Moscow, 119071

varlamov@biengi.ac.ruСамуиловаО. В.SamuilovaO. V.

Самуилова Ольга Витальевна – кандидат биологических наук, доц. кафедры биологической химии

119991, г. Москва, ул. Трубецкая, д. 8, стр. 2

Department of Biochemistry

Trubetskaya str. 8–2, Moscow, 119991

СамуиловВ. Д.SamuilovV. D.

Самуилов Виталий Дмитриевич – доктор биологических наук, профессор, гл. научный сотрудник кафедры иммунологии биологического факультета

119234, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12

Department of Immunology, School of Biology

Leninskiye gory 1–12, Moscow, 119234

vdsamuilov@mail.ruМосковский государственный университет имени М.В. ЛомоносоваРоссияLomonosov Moscow State UniversityRussian FederationФедеральный исследовательский центр «Фундаментальные основы биотехнологии», Российская академия наукРоссияResearch Center of Biotechnology of the Russian Academy of SciencesRussian FederationПервый Московский государственный медицинский университет имени И.М. СеченоваРоссияI.M. Sechenov UniversityRussian Federation2021060320217611823Copyright © Киселевский Д.Б., Шагдарова Б.Ц., Варламов В.П., Самуилова О.В., Самуилов В.Д., 20212021Киселевский Д.Б., Шагдарова Б.Ц., Варламов В.П., Самуилова О.В., Самуилов В.Д.Kiselevsky D.V., Shagdarova B.T., Varlamov V.P., Samuilova O.V., Samuilov V.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik-bio-msu.elpub.ru/jour/article/view/965

 

Испытано действие на клетки эпидермиса из листьев гороха низкомолекулярных хитозанов с молекулярной массой 5, 6, 10, 25, 45 кДа и степенью деацетилирования (СД) 85–99%, полученных при помощи химической деполимеризации и ферментативного гидролиза. Низкомолекулярный хитозан вызывал модификацию плазматической мембраны устьичных клеток, регистрируемую по изменению ее проницаемости для флуоресцирующего красителя йодида пропидия, и программируемую гибель эпидермальных клеток, определяемую по разрушению клеточных ядер. Эти эффекты были сходны с действием коммерческого высокомолекулярного хитозана с молекулярной массой 290 кДа (СД 90%), проявлявшимся в более высоких концентрациях, чем в случае низкомолекулярного хитозана. Губительное действие хитозана на клетки зависело в большей степени от СД и не проявлялось в концентрациях до 10 мкг/мл включительно. Низкомолекулярный хитозан усиливал образование активных форм кислорода в эпидермисе, детектируемое по флуоресценции 2',7'-дихлорфлуоресцеина. Антиоксиданты нитросиний тетразолий и пропилгаллат замедляли, а Н2О2 стимулировал этот процесс.

The effect of low molecular weight (MW) chitosans with a MW of 5, 6, 10, 25, 45 kDa and a deacetylation degree (DD) of 85–99% obtained by chemical depolymerization and enzymatic hydrolysis on the cells of the epidermis of pea leaves was analyzed. Low MW chitosans induced guard cells plasma membrane damage, which was estimated from the change in its permeability for the fluorescent dye propidium iodide, and programmed death of epidermal cells determined from destruction of cell nuclei. These effects are similar to those of commercial high MW chitosan with a MW of 290 kDa, a DD of 90%, which was manifested at higher concentrations than with low MW chitosan. The destructive effect of chitosan on the cells was predominantly DD-dependent, and it was not produced at concentrations up to 10 μg/ml inclusive. Low MW chitosan enhanced the generation of reactive oxygen species in the epidermis, which was detected by monitoring the fluorescence of 2',7'-dichlorofluorescein. The antioxidants nitroblue tetrazolium and propyl gallate inhibited, and Н2О2 accelerated this process.

программируемая клеточная смертьплазматическая мембранахитозанэпидермисйодид пропидиягорохprogrammed cell deathplasma membranechitosanepidermispropidium iodidepeaРабота по получению и анализу низкомолекулярных хитозанов частично поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 20-016-00205). Работа выполнена при финансовой поддержке научно-исследовательской работы (НИР) из средств федерального бюджета (регистрационный номер НИР в ЦИТИС: АААА-А16-116021660081-0).The research on the production and analysis of low molecular weight chitosans was partially supported by Russian Foundation for Basic Research, project number 20-016-00205. This study was performed under the state assignment of Moscow State University, project number AAAA-A16-116021660081-0.ReferencesФеофилова Е.П. Клеточная стенка грибов М.: Наука, 1983. 248 с.Феофилова Е.П. Клеточная стенка грибов М.: Наука, 1983. 248 с.Shagdarova B.T., Il’ina A.V., Varlamov V.P. Antibacterial activity of alkylated and acylated derivatives of low-molecular weight chitosan // Appl. Biochem. Microbiol. 2016. Vol. 52. N 2. P. 222–225.Shagdarova B.T., Il’ina A.V., Varlamov V.P. Antibacterial activity of alkylated and acylated derivatives of low-molecular weight chitosan // Appl. Biochem. Microbiol. 2016. Vol. 52. N 2. P. 222–225.Hadwiger L.A. Multiple effects of chitosan on plant systems: solid science or hype // Plant Sci. 2013. Vol. 208. P. 42–49.Hadwiger L.A. Multiple effects of chitosan on plant systems: solid science or hype // Plant Sci. 2013. Vol. 208. P. 42–49.Davydova V.N., Yermak I.M. The conformation of chitosan molecules in aqueous solutions // Biophysics. 2018. Vol. 63. N 4. P. 501–511.Davydova V.N., Yermak I.M. The conformation of chitosan molecules in aqueous solutions // Biophysics. 2018. Vol. 63. N 4. P. 501–511.Varlamov V.P., Il’ina A.V., Shagdarova B.T., Lunkov A.P., Mysyakina I.S. Chitin/chitosan and its derivatives: fundamental problems and practical approaches // Biochemistry (Mosc). 2020. Vol. 85. Suppl. 1. P. S154–S176.Varlamov V.P., Il’ina A.V., Shagdarova B.T., Lunkov A.P., Mysyakina I.S. Chitin/chitosan and its derivatives: fundamental problems and practical approaches // Biochemistry (Mosc). 2020. Vol. 85. Suppl. 1. P. S154–S176.Wang W., Xue C., Mao X. Chitosan: Structural modification, biological activity and application // Int. J. Biol. Macromol. 2020. Vol. 164. P. 4532–4546.Wang W., Xue C., Mao X. Chitosan: Structural modification, biological activity and application // Int. J. Biol. Macromol. 2020. Vol. 164. P. 4532–4546.Young D.H., Köhle H., Kauss H. Effect of chitosan on membrane permeability of suspension-cultured Glycine max and Phaseolus vulgaris cells // Plant Physiol. 1982. Vol. 70. N 5. P. 1449–1454.Young D.H., Köhle H., Kauss H. Effect of chitosan on membrane permeability of suspension-cultured Glycine max and Phaseolus vulgaris cells // Plant Physiol. 1982. Vol. 70. N 5. P. 1449–1454.Muxika A., Etxabide A., Uranga J., Guerrero P., de la Caba K. Chitosan as a bioactive polymer: Processing, properties and applications // Int. J. Biol. Macromol. 2017. Vol. 105. Pt. 2. P. 1358–1368.Muxika A., Etxabide A., Uranga J., Guerrero P., de la Caba K. Chitosan as a bioactive polymer: Processing, properties and applications // Int. J. Biol. Macromol. 2017. Vol. 105. Pt. 2. P. 1358–1368.Pospieszny H., Chirkov S., Atabekov J. Induction of antiviral resistance in plants by chitosan // Plant Sci. 1991. Vol. 79. N 1. P. 63–68.Pospieszny H., Chirkov S., Atabekov J. Induction of antiviral resistance in plants by chitosan // Plant Sci. 1991. Vol. 79. N 1. P. 63–68.Liu D, Jiao S, Cheng G, Li X, Pei Z, Pei Y, Yin H, Du Y. Identification of chitosan oligosaccharides binding proteins from the plasma membrane of wheat leaf cell // Int. J. Biol. Macromol. 2018. Vol. 111. P. 1083–1090.Liu D, Jiao S, Cheng G, Li X, Pei Z, Pei Y, Yin H, Du Y. Identification of chitosan oligosaccharides binding proteins from the plasma membrane of wheat leaf cell // Int. J. Biol. Macromol. 2018. Vol. 111. P. 1083–1090.Srivastava N., Gonugunta V.K., Puli M.R., Raghavendra A.S. Nitric oxide production occurs downstream of reactive oxygen species in guard cells during stomatal closure induced by chitosan in abaxial epidermis of Pisum sativum // Planta. 2009. Vol. 229. N 4. P. 757–765.Srivastava N., Gonugunta V.K., Puli M.R., Raghavendra A.S. Nitric oxide production occurs downstream of reactive oxygen species in guard cells during stomatal closure induced by chitosan in abaxial epidermis of Pisum sativum // Planta. 2009. Vol. 229. N 4. P. 757–765.Ye W., Munemasa S., Shinya T., Wu W., Ma T., Lu J., Kinoshita T., Kaku H., Shibuya N., Murata Y. Stomatal immunity against fungal invasion comprises not only chitin-induced stomatal closure but also chitosaninduced guard cell death // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2020. Vol. 117. N 34. P. 20932–20942.Ye W., Munemasa S., Shinya T., Wu W., Ma T., Lu J., Kinoshita T., Kaku H., Shibuya N., Murata Y. Stomatal immunity against fungal invasion comprises not only chitin-induced stomatal closure but also chitosaninduced guard cell death // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2020. Vol. 117. N 34. P. 20932–20942.Vasil’ev L.A., Dzyubinskaya E.V., Zinovkin R.A., Kiselevsky D.B., Lobysheva N.V., Samuilov V.D. Chitosaninduced programmed cell death in plants // Biochemistry (Mosc). 2009. Vol. 74. N 9. P. 1035–1043.Vasil’ev L.A., Dzyubinskaya E.V., Zinovkin R.A., Kiselevsky D.B., Lobysheva N.V., Samuilov V.D. Chitosaninduced programmed cell death in plants // Biochemistry (Mosc). 2009. Vol. 74. N 9. P. 1035–1043.Vasil’ev L.A., Dzyubinskaya E.V., Kiselevsky D.B., Shestak A.A., Samuilov V.D. Programmed cell death in plants: protective effect of mitochondrial-targeted quinones // Biochemistry (Mosc). 2011. Vol. 76. N 10. P. 1120–1130.Vasil’ev L.A., Dzyubinskaya E.V., Kiselevsky D.B., Shestak A.A., Samuilov V.D. Programmed cell death in plants: protective effect of mitochondrial-targeted quinones // Biochemistry (Mosc). 2011. Vol. 76. N 10. P. 1120–1130.Kiselevsky D.B., Frolova O.Y., Solovyev A.G., Dorokhov Y.L., Morozov S.Y., Samuilov V.D. Plant cell death caused by fungal, bacterial, and viral elicitors: protective effect of mitochondria-targeted quinones // Biochemistry (Mosc). 2014. Vol. 79. N 12. P. 1322–1332.Kiselevsky D.B., Frolova O.Y., Solovyev A.G., Dorokhov Y.L., Morozov S.Y., Samuilov V.D. Plant cell death caused by fungal, bacterial, and viral elicitors: protective effect of mitochondria-targeted quinones // Biochemistry (Mosc). 2014. Vol. 79. N 12. P. 1322–1332.Kiselevsky D.B., Samuilov V.D. Permeability of the plasma membrane for propidium iodide and destruction of cell nuclei in the epidermis of pea leaves: the effect of polyelectrolytes and detergents // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2019. Vol. 74. N 3. P. 147–153.Kiselevsky D.B., Samuilov V.D. Permeability of the plasma membrane for propidium iodide and destruction of cell nuclei in the epidermis of pea leaves: the effect of polyelectrolytes and detergents // Moscow Univ. Biol. Sci. Bull. 2019. Vol. 74. N 3. P. 147–153.Khasanova L.M., Il’ina A.V., Varlamov V.P., Sinitsyna O.A., Sinitsyn A.P. Hydrolysis of chitozan with an enzyme complex from Myceliophthora sp. // Appl. Biochem. Microbiol. 2014. Vol. 50. N 4. P. 381–386.Khasanova L.M., Il’ina A.V., Varlamov V.P., Sinitsyna O.A., Sinitsyn A.P. Hydrolysis of chitozan with an enzyme complex from Myceliophthora sp. // Appl. Biochem. Microbiol. 2014. Vol. 50. N 4. P. 381–386.Luttge U., Higinbotham N. Transport in plants. N.Y.: Springer Verlag, 1979. 468 pp.Luttge U., Higinbotham N. Transport in plants. N.Y.: Springer Verlag, 1979. 468 pp.Darzynkiewicz Z., Bruno S., Del Bino G., Gorczyca W., Hotz M.A., Lassota P., Traganos F. Features of apoptotic cells measured by flow cytometry // Cytometry. 1992. Vol. 13. N 8. P. 795–808.Darzynkiewicz Z., Bruno S., Del Bino G., Gorczyca W., Hotz M.A., Lassota P., Traganos F. Features of apoptotic cells measured by flow cytometry // Cytometry. 1992. Vol. 13. N 8. P. 795–808.Samuilov V.D., Lagunova E.M., Kiselevsky D.B., Dzyubinskaya E.V., Makarova Ya.V., Gusev M.V. Participation of chloroplasts in plant apoptosis // Biosci. Rep. 2003. Vol. 23. N 2–3. P. 103–117.Samuilov V.D., Lagunova E.M., Kiselevsky D.B., Dzyubinskaya E.V., Makarova Ya.V., Gusev M.V. Participation of chloroplasts in plant apoptosis // Biosci. Rep. 2003. Vol. 23. N 2–3. P. 103–117.Samuilov V.D., Kiselevsky D.B., Shestak A.A., Nesov A.V., Vasil’ev L.A. Reactive oxygen species in programmed death of pea guard cells // Biochemistry (Mosc). 2008. Vol. 73. N 10. P. 1076–1084.Samuilov V.D., Kiselevsky D.B., Shestak A.A., Nesov A.V., Vasil’ev L.A. Reactive oxygen species in programmed death of pea guard cells // Biochemistry (Mosc). 2008. Vol. 73. N 10. P. 1076–1084.Karlsson M., Kurz T., Brunk U.T., Nilsson S.E., Frennesson C.I. What does the commonly used DCF test for oxidative stress really show? // Biochem. J. 2010. Vol. 428. N 2. P. 183–190.Karlsson M., Kurz T., Brunk U.T., Nilsson S.E., Frennesson C.I. What does the commonly used DCF test for oxidative stress really show? // Biochem. J. 2010. Vol. 428. N 2. P. 183–190.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.