Antifungal Activity of Shell Nanoparticles of Chitosan Asparaginate

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The antifungal effect of shell nanoparticles of chitosan aspartate obtained by in situ self-assembly of protonated macrochains was studied against 9 species of assomycetes and 2 species of basidiomycetes of various physiological and ecological groups and during artificial infection of soft wheat seedlings with the pathogenic fungus Rhizoconia sp. in vitro culture. It was found that the biopreparation has antifungal activity against a wide range of soil-dwelling saprotrophic and phytopathogenic fungi, increasing with increasing concentration of the preparation in the range of 0.001–0.1 g/dl. Suppression of mycelial growth under the influence of nanoparticles was noted for the fungi Trichoderma harzianum (up to 81.3%), Fusarium oxysporum (39.1%), Schizophyllum commune (37.9%), Lecanicillum aphanocladii (30.4%), Alternaria sp. (33.0%), Botrytis sp. (30.0%), Trichoderma viride (25.3%), Sclerotinia cf. sclerotiorum (18.0%), Rhizocionia sp. (15.0%), Talaromyces sayulltensis (7.0%) and Pleurotus ostreatus var. Florida (6.1%). At the same time, a stimulating effect of a low concentration of nanoparticles on the growth of the assomycete T. sayulltensis (20%) isolated from the rhizosphere was found. Rhizocionia sp. in vitro culture in comparison with other phytopathogens demonstrated higher resistance to the biopreparation, however, seed treatment with nanoparticle dispersion followed by cultivation on an artificial infectious background in the presence of fungal spores reduced the degree of damage and the level of development of the plant disease to 33%. Possible mechanisms of the antifungal action of chitosan nanoparticles are discussed. The obtained data allow us to propose preparations based on the dispersion of chitosan aspartate nanoparticles as a safe biodegradable antifungal drug in the practice of plant protection from phytopathogenic fungi.

About the authors

O. V. Tkachenko

Saratov state university of genetics, biotechnology and engineering named after N.I. Vavilov; Saratov national research state university named after N.G. Chernyshevsky

Saratov, Russia; Saratov, Russia

N. N. Pozdnyakova

Institute of biochemistry and physiology of plants and microorganisms – FRC SRC RAS; Saratov national research state university named after N.G. Chernyshevsky

Saratov, Russia; Saratov, Russia

E. E. Kostina

Saratov state university of genetics, biotechnology and engineering named after N.I. Vavilov

Saratov, Russia

E. V. Shcherbakova

Institute of biochemistry and physiology of plants and microorganisms – FRC SRC RAS; Saratov national research state university named after N.G. Chernyshevsky

Saratov, Russia; Saratov, Russia

K. M. Shipenok

Saratov national research state university named after N.G. Chernyshevsky

Saratov, Russia

A. B. Shipovskaya

Saratov national research state university named after N.G. Chernyshevsky

Email: shipovskayad@yandex.ru
Saratov, Russia

References

  1. Актуганов Г.Э., Сафина В.Р., Галимзянова Н.Ф., Кузьмина Л.Ю., Гильванова Е.А., Бойко Т.Ф., Мелентьев А.И. Устойчивость к хитозану бактерий и микромицетов, различающихся по способности к продукции внеклеточных хитиназ и хитозаназ // Микробиология. 2018. Т. 87. С. 599–609.
  2. Aktuganov G.E., Safina V.R., Galimzianova N.F., Kuz’mina L.Y., Gilvanova E.A., Boyko T.F., Melent’ev A.I. Chitosan resistance of bacteria and micromycetes differing in ability to produce extracellular chitinases and chitosanases // Microbiology (Moscow). 2018. V. 87. P. 716‒724.
  3. Варламов В.П., Ильина А.В., Шагдарова Б.Ц., Луньков А.П., Мысякина И.С. Хитин/хитозан и его производные: фундаментальные и прикладные аспекты // Успехи биол. химии. 2020. Т. 60. С. 317–368.
  4. Varlamov V.P., Il’ina A.V., Shagdarova B.Ts., Lunkov A.P., Mysyakina I.S. Chitin/chitosan and its derivatives: fundamental problems and practical approaches // Biochemistry (Moscow). 2020. V. 85. Suppl. 1. P. S154‒S176. https://doi.org/10.1134/S0006297920140084
  5. Варламов В.П., Мысякина И.С. Хитозан в биологии, микробиологии, медицине и сельском хозяйстве // Микробиология. 2018. Т. 87. С. 595–598.
  6. Varlamov V.P., Mysyakina I.S. Chitosan in biology, microbiology, medicine, and agriculture // Microbiology (Moscow). 2018. V. 87. P. 712‒715.
  7. ГОСТ 12044-93 “Межгосударственный стандарт на семена сельскохозяйственных культур. Методы определения зараженности болезнями”. М: Стандартинформ, 2011. 57 с.
  8. Децына А.А., Хатнянский В.И., Илларионова И.В., Арасланова Н.М., Саукова С.Л., Ивебор М.В. Мониторинг болезней на сортах подсолнечника селекции ВНИИМК // Масличные культуры. 2021. № 1 (185). С. 67–72.
  9. Ильина А.В., Шагдарова Б.Ц., Луньков А.П., Куликов С.Н., Варламов В.П. Исследование антимикотической активности in vitro металлокомплексов кватернизированного производного хитозана с ионами меди // Микробиология. 2017. Т. 86. С. 586–592.
  10. Il’ina A.V., Shagdarova B.T., Lun’kov A.P., Varlamov V.P., Kulikov S.N. In vitro antifungal activity of metal complexes of a quaternized chitosan derivative with copper ions // Microbiology (Moscow). 2017. V. 86. P. 590‒595.
  11. Пирниязов К.К., Асракулова Д.И., Рашидова С.Ш. Синтез и противомикробные свойства наноаскорбата хитозана Bombyx mori // Вестн. МГУ. Сер. 2: Химия. 2024. Т. 65. С. 424–430.
  12. Позднякова Н.Н., Дубровская Е.В., Гринев В.С., Турковская О.В. Перспективы использования ксилотрофных грибов Pleurotus ostreatus Florida и Schizophyllum commune для микоремедиации почв, загрязненных нефтяными углеводородами и поверхностно-активными веществами // Биотехнология. 2021. Т. 37. № 5. С. 108–116.
  13. Ткаченко О.В., Каргаполова К.Ю., Денисова А.Ю., Шипенок К.М., Шиповская А.Б. Биопрепарат для стимуляции роста, развития растений и ингибирования фитопатогенов // Патент РФ. 2025. № 2841251.
  14. Шипенок К.М., Луговицкая Т.Н., Шиповская А.Б. Процессы структурообразования при получении наночастиц Lи D-аспарагината хитозана // Журн. физ. химии. 2024. Т. 98. № 8. С. 133–141.
  15. Шиповская А.Б., Луговицкая Т.Н., Зудина И.В. Биоцидная активность наночастиц аспарагината хитозана // Микробиология. 2023. Т. 92. С. 68–76.
  16. Shipovskaya A.B., Lugovitskaya T.N., Zudina I.V. Biocidal activity of chitosan aspartate nanoparticles // Microbiology (Moscow). 2023. V. 92. P. 75‒82. https://doi.org/10.1134/S0026261722602378
  17. Akther T., Hemalatha S. Mycosilver nanoparticles: synthesis, characterization and its efficacy against plant pathogenic fungi // J. Bionanosci. 2019. V. 9. P. 296–301.
  18. Andreolli M., Lampis S., Brignoli P., Vallini G. Trichoderma longibrachiatum Evx1 is a fungal biocatalyst suitable for the remediation of soils contaminated with diesel fuel and polycyclic aromatic hydrocarbons // Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2016. V. 23. P. 9134–9143.
  19. Asemoloye M.D., Ahmad R., Jonathan S.G. Synergistic action of rhizospheric fungi with Megathyrsus maximus root speeds up hydrocarbon degradation kinetics in oil polluted soil // Chemosphere. 2017. V. 187. P. 1–10. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2017.07.158
  20. Bezalel L., Hadar Y., Cerniglia C. Enzymatic mechanisms involved in phenanthrene degradation by the white rot fungus Pleurotus ostreatus // Appl. Environ. Microbiol. 1997. V. 63. P. 2495–2501.
  21. Hassan E.O., Shoala T., Attia A.M.F., Badr O.A.M., Mahmoud S.Y.M., Farrag E.S.H., EL-Fiki I.A.I. Chitosan and nano-chitosan for management of Harpophora maydis: approaches for investigating antifungal activity, pathogenicity, maize-resistant lines, and molecular diagnosis of plant infection // J. Fungi. 2022. V. 8. Art. 509. https://doi.org/10.3390/jof8050509
  22. Hernández-López N.A., Plascencia‐Jatomea M., Del‐Toro‐Sánchez C.L., López‐Saiz C.M., Morales-Rodríguez S., Martínez‐Téllez M.Á., Quintana-Obregón E.A. Antifungal activity of nanochitosan in Colletotrichum musae and Colletotrichum chrysophillum // Polysaccharides. 2025. V. 6. Art. 4. https://doi.org/10.3390/polysaccharides6010004
  23. Ing L.Y., Zin N.M., Sarwar A., Katas H. Antifungal activity of chitosan nanoparticles and correlation with their physical properties // Int. J. Biomater. 2012. V. 2012. Art. 632698. https://doi.org/10.1155/2012/632698
  24. Jiménez-Pérez O., Gallegos‐Morales G., Castro del Ángel E., Hernández-Castillo F.D., Castillo-Reyes F. Fungicidal activity of chitosan in synergy with Trichoderma harzianum and Bacillus subtilis for the control of chili wilt disease // Agrociencia. 2025. V. 59. Art. 3059. http://dx.doi.org/10.47163/agrociencia.v59i1.3059
  25. Khambhaty Y., Ananth S., Sreeram K.J., Rao J.R., Nair B.U. Dual utility of a novel, copper enhanced laccase from Trichoderma aureoviridae // Int. J. Biol. Macromol. 2015. V. 81. P. 69–75.
  26. Kong M., Chen X.G., Xing K., Park H.J. Antimicrobial properties of chitosan and mode of action: a state of the art review // Int. J. Food Microbiol. 2010. V. 144. P. 51–63.
  27. Li W., Huang W., Zhou J.-Y., Wang J.-J., Liu J., Li Y. Evaluation and control of Alternaria alternata causing leaf spot in soybean in Northeast China // J. Appl. Microbiol. 2023. V. 134. Art. lxad004. https://doi.org/10.1093/jambio/lxad004
  28. Luangtana-Anan M., Nunthanid J., Limmatvapirat S. Potential of different salt forming agents on the formation of chitosan nanoparticles as carriers for protein drug delivery systems // J. Pharm. Investig. 2019. V. 49. P. 37–44.
  29. Lugovitskaya T.N., Shipovskaya A.B., Shmakov S.L., Shipenok X.M. Formation, structure, properties of chitosan aspartate and metastable state of its solutions for obtaining nanoparticles // Carbohydr. Polym. 2022. V. 277. Art. 118773. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2021.118773
  30. Mahoney A.K., Babiker E.M., Paulitz T.C., See D.R., Okubara P.A., Hulbert S.H. Characterizing and mapping resistance in synthetic-derived wheat to rhizoctonia root rot in a green bridge environment // Phytopathol. 2016. V. 106. P. 1170–1176.
  31. Malinkina O.N., Shmakov S.L., Shipovskaya A.B. Structure, the energy, sorption and biological properties of chiral salts of chitosan with Land D-ascorbic acid // Int. J. Biol. Macromol. 2024. V. 257. Part 2. Art. 128731. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.128731
  32. Maluin F.N., Hussein M.Z. Chitosan-based agronanochemicals as a sustainable alternative in crop protection // Molecules. 2020. V. 25. Art. 1611. https://doi.org/10.3390/molecules25071611
  33. Manikandan A., Sathiyabama M. Preparation of chitosan nanoparticles and its effect on detached rice leaves infected with Pyricularia grisea // Int. J. Biol. Macromol. 2016. V. 84. P. 58–61.
  34. Mendez-Liter J., de Eugenio L.I., Nieto-Dominguez M., Prieto A., Martinez M.J. Hemicellulases from Penicillium and Talaromyces for lignocellulosic biomass valorization: a review // Bioresour. Technol. 2021. V. 324. Art. 124623. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2020.124623
  35. Nguyen T.K.A., Ho M.N., Tran G.-B. Fungicidal activities of chitosan-stabilized copper nanoparticles on Magnaporthe oryzae, Rhizoctonia solani, and Phytophthora capsica // Nova Biotechnol. Chim. 2023. V. 22. Art. e1656. http://dx.doi.org/10.34135/nbc.1656
  36. Oh J.-W., Chun S.C., Chandrasekaran M. Preparation and in vitro characterization of chitosan nanoparticles and their broad-spectrum antifungal action compared to antibacterial activities against phytopathogens of tomato // Agronomy. 2019. V. 9. Art. 21. http://dx.doi.org/10.3390/agronomy9010021
  37. Pozdnyakova N., Muratova A., Bondarenkova A., Turkovskaya O. Degradation of a model mixture of PAHs by bacterial-fungal co-cultures // Front. Biosci. (Elite Ed). 2023. V. 15. Art. 26. https://doi.org/10.31083/j.fbe1504026
  38. Poznanski P., Hameed A., Orczyk W. Chitosan and chitosan nanoparticles: parameters enhancing antifungal activity // Molecules. 2023. V. 28. Art. 2996. https://doi.org/10.3390/molecules28072996
  39. Regalado V., Rodriguez A., Perestelo F., Carnicero A., de la Fuente G., Falcon M. Lignin degradation and modification by the soil-inhabiting fungus Fusarium proliferatum // Appl. Environ. Microbiol. 1997. V. 63. P. 3716–3718.
  40. Ryley M.J., Thompson S., Harveson R.M., Gulya T.J., Block C.C., Mathew F.M., Markell S.G. Sunflower head rot diseases: Botrytis head rot and bacterial head rot // Plant Health Prog. Diagnostic Guide. 2025. V. 26. http://dx.doi.org/10.1094/PHP-08-24-0077-DG
  41. Sahab A., Waly A., Sabbour M., Nawar L.S. Synthesis, antifungal and insecticidal potential of Chitosan (CS)-g-poly (acrylic acid)(PAA) nanoparticles against some seed borne fungi and insects of soybean // Int. J. Chem. Tech. Res. 2015. V. 8. P. 589–598.
  42. Saharan V., Mehrotra A., Khatik R., Rawal P., Sharma S.S., Pal A. Synthesis of chitosan based nanoparticles and their in vitro evaluation against phytopathogenic fungi // Int. J. Biol. Macromol. 2013. V. 62. P. 677‒683.
  43. Shih P.-Yu, Liao Yu-T., Tseng Yi-K., Deng Fu-S., Lin C.-H. A potential antifungal effect of chitosan against Candida albicans is mediated via the inhibition of saga complex component expression and the subsequent alteration of cell surface integrity // Front. Microbiol. 2019. V. 10. Art. 602. https://doi.org/10.3389/fmicb.2019.00602
  44. Shipenok X.M., Mazhikenova A.M., Glukhovskoy E.G., Shipovskaya A.B. Phase separation of L-menthol an aqueous dispersion of biologically active nanoparticles of chitosan Land D-aspartate // J. Biomed. Photon. Eng. 2024. V. 10. P. 040316-1‒040316-7.
  45. Shipovskaya A.B., Ushakova O.S., Volchkov S.S., Shipenok X.M., Shmakov S.L., Gegel N.O., Burov A.M. Chiral nanostructured glycerohydrogel sol–gel plates of chitosan Land D-aspartate: supramolecular ordering and optical properties // Gels. 2024. V. 10. Art. 427. https://doi.org/10.3390/gels10070427
  46. Thion C., Cebron A., Beguiristain T., Leyval C. Inoculation of PAH-degrading strains of Fusarium solani and Arthrobacter oxydans in rhizospheric sand and soil microcosms: Microbial interactions and PAH dissipation // Biodegradation. 2013. V. 24. P. 569‒581.
  47. Xing K., Shen X., Zhu X., Ju X., Miao X., Tian J., Feng Z., Peng X., Jiang J., Qin S. Synthesis and in vitro antifungal efficacy of oleoyl-chitosan nanoparticles against plant pathogenic fungi // Int. J. Biol. Macromol. 2016. V. 82. P. 830‒836.
  48. Younes I., Sellimi S., Rinaudo M., Jellouli K., Nasri M. Influence of acetylation degree and molecular weight of homogeneous chitosans on antibacterial and antifungal activities // Int. J. Food Microbiol. 2014. V. 185. P. 57‒63.
  49. Zare R., Gams W. Lecanicillium aphanocladii // IMI Descriptions of Fungi and Bacteria. 2003. V. 1563. № 157. P. 1‒2. http://dx.doi.org/10.1079/DFB/20056401563

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».