Лаборатория молекулярной и экологической физиологии

Гранты:

2020-2022. РФФИ № 20-34-90138 «Роль основного модулятора стрессовых ответов растений – киназного комплекса SnRK1 - в регуляции фотосинтеза и роста». Руководитель — Войцеховская О.В., исполнитель – Муртузова А.В.

У растений программы роста и морфогенеза контролируются киназным комплексом TOR. В то же время, программы, отвечающие за остановку роста и стрессовые защитные реакции, находятся под контролем другого регулятора – SnRK1-киназы. В условиях стресса SnRK1-киназа активируется и выступает ингибитором TOR. Таким образом, можно ожидать, что частичное или полное разобщение TOR и SnRK1 в условиях стресса приведет к продолжению роста и морфогенеза на фоне высокой стрессоустойчивости. Все больше исследований раскрывает высокую перспективность управления модулем ‘TOR-SnRK1’ с целью одновременного повышения продуктивности и устойчивости растений, а изучение физиологических ролей обеих киназ представляет значительный интерес. SnRK1 является клеточным сенсором энергетического заряда, и можно предполагать ее участие в регуляции фотосинтеза; однако, данный вопрос к настоящему времени не изучался. В рамках настоящего проекта с использованием модели Arabidopsis thaliana будет впервые изучено влияние различных уровней экспрессии каталитической субъединицы SnRK1-киназы – KIN10 на процесс фотосинтеза. Растения-сверхэкспрессоры KIN10, а также линии с РНК-интерференцией KIN10 (Baena-Gonzales et al., 2007, Nature), будут подвергаться засолению в течение нескольких суток. В условиях солевого стресса, а также в оптимальных для роста условиях, будут исследованы параметры функционирования фотосистем, электронтранспортной цепи фотосинтеза, динамика формирования электрохимического градиента на мембранах тилакоидов, содержание АТФ в листьях растений и параметры фотосинтетического газообмена. Результаты проекта дадут ответ на вопрос об участии SnRK1 в регуляции фотосинтеза в листьях растений в условиях стресса.

Завершенные проекты:

Гранты:

2018-2020. РФФИ №18-34-00821 «Взаимосвязь фитохромной регуляции цветения и стабильности фотосинтетического аппарата у Arabidopsis thaliana». Руководитель — Дмитриева В.А.

Цветение является важнейшим этапом онтогенеза растений, в контроле которого участвуют различные гены и фитогормоны, однако знание этих механизмов остаётся неполным. Показано, что у мутантов Arabidopsis thaliana ch1 и Hordeum vulgare clo f2 с заблокированным синтезом хлорофилла b имеет место значительная задержка перехода к цветению, и наши данные показали, что у таких мутантов сильно изменен уровень экспрессии двух фитохромов. Фитохромы являются ключевыми регуляторами цветения большинства растений, однако ранее влияние отсутствия хлорофилла b на функционирование фитохромной регуляции никогда не исследовалось. В рамках данного проекта на модели A. thaliana изучается взаимосвязь между сигналами от фотосинтетического аппарата, дестабилизированного вследствие отсутствия хлорофилла b, и компонентами фитохромного пути регуляции цветения. Таким образом, проект направлен на выявление неизвестных ранее механизмов регуляции цветения. В ходе выполнения данного проекта применяются различные современные методы молекулярной биологии и биохимии. Полученные данные помогут понять природу задержки цветения у растений без хлорофилла b, разобраться, каким образом у растений осуществляется регуляция цветения и предложить способы оптимизации условий для ускорения их перехода к генеративному развитию.

Фото: Arabidopsis thaliana. Слева направо: внешний вид; апекс побега при переходе к цветению; анализ проницаемости плазмодесм в мезофилле листа методом DAnS (drop-and-see).
2018-2019 РНФ №18-16-00074 «Новые механизмы регуляции автофагии, роста и солеустойчивости: изучение и использование для повышения солеустойчивости ячменя». Руководитель – Тютерева Е.В.

Активация у растений механизмов ответа на стресс любого рода сопровождается остановкой и замедлением роста, а при длительном стрессовом воздействии приводит к изменению морфологии растения, что у сельскохозяйственно ценных культур негативно сказывается на урожае. В последнее время появились исследования, которые убедительно показывают, что остановка роста и запуск механизмов борьбы со стрессом представляют собой две отдельные генетические программы, которые функционируют в тесной связи, но тем не менее могут быть полностью разобщены у мутантов по ключевым регуляторам. У Arabidopsis thaliana такие мутанты в условиях стресса демонстрируют повышенную стрессоустойчивость и сильный рост, сравнимый с диким типом, либо превосходящий его.

Настоящий проект базируется на результатах исследований, проведенных в рамках двух поддержанных РНФ проектов (№14-16-00120 и №15-14-30008), где нами был охарактеризован новый потенциальный регулятор запуска ката- vs. анаболических программ – локализованный в плазматической мембране клеток корня и замыкающих клеток устьиц наружу-выпрямляющий калиевый канал GORK. Мутанты Arabidopsis, лишенные данного канала, в стрессовых условиях демонстрировали улучшенную выживаемость за счет снижения индукции запрограммированной клеточной гибели и автофагии, а также продолжали рост. В проекте планируется детально исследовать недавно выявленную (нами и другими исследователями) взаимосвязь ключевых регуляторных событий, имеющих место при ряде стрессовых воздействий - GORK-зависимой потери калия, индукции автофагии и ЗКГ, активации жасмонат-зависимых генов стрессового ответа, изменений роста и морфогенеза - на модели солевого стресса как наиболее изученной и наиболее актуальной с практической точки зрения, а также выявить регуляторное действие фитохрома В на эту цепочку событий. В качестве модельного объекта будут использованы растения Arabidopsis и ячменя, поскольку ведущая роль канала GORK в устойчивости к засолению охарактеризована наиболее полно для ячменя по сравнению с другими ключевыми для сельского хозяйства культурами. Далее, на модели растений ячменя, несущих мутацию chlorina f2³⁶¹³ и обладающих измененной экспрессией фитохромов будет изучен механизм, обусловливающий ускоренное по сравнению с диким типом прорастание этих мутантов на среде. Наконец, мы планируем получить и исследовать мутанты-нокауты по каналу GORK, не экспрессирующие ген AtGORK в клетках корня, но сохраняющие его экспрессию в клетках устьиц за счет комплементации нативным каналом GORK под промотором гена StKST1, специфично экспрессирующегося в устьицах у ряда однодольных и двудольных растений. Предположительно такие растения будут высокоустойчивы к солевому стрессу за счет оптимизации стрессовых ответов корня при сохранении интактной устьичной регуляции.

Фото, слева направо: клетка суспензионной культуры табака с пероксисомами, мечеными флуоресцирующим белком eYFP (Tyutereva et al. Functional Plant Biol. 2018 45: 247–258); кончик корня Arabidopsis в проходящем свете; автофагосомы в клетках корня Arabidopsis после стрессового воздействия (конфокальная сканирующая лазерная микроскопия; изображения слева направо – канал детекции флуоресценции, канал детекции проходящего света, совмещение изображений с детекторов флуоресценции и проходящего света).
2017-2018. Программы фундаментальных исследований Президиума РАН. Проект 0126-2015-0092 «Направления экологической эволюции сосудистых растений». Руководитель — Шереметьев С.Н.
Цель проекта – исследование направлений экологической эволюции сосудистых растений (покрытосеменных, голосеменных и птеридофитов). Предварительные исследования показали, что динамика признаков структуры и водного обмена покрытосеменных травянистых растений полностью соответствует представлениям о глобальных изменениях климата и гидрологии планеты в кайнозое. Таксономическое разнообразие трав и травяных биомов – следствие непостоянства палеоклиматов и адаптогенеза растений к ним. Два типа травяных биомов (С₃ и С₄) пришли на смену лесным биомам, площадь которых в конце олигоцена и миоцене резко сократилась и в низких и в высоких широтах. Эта тенденция видимо продолжает развиваться параллельно с климатической тенденцией иссушения и похолодания континентов. С другой стороны, проанализированы направления эволюционной изменчивости параметров величины генома и структурно-функциональной активности растений по группам биоморф и таксонов покрытосеменных. Показано, что в мелу–кайнозое их ядерный геном имел тенденцию увеличиваться. Его функциональная эффективность (интенсивность функций на 1 пг ДНК) снижалась от максимально высокой у деревьев и лиан дождевых и муссонных лесов палеогена к минимальной у кустарников, многолетних и однолетних трав лугово-степной растительности, появившейся в неогене. В качестве причины эволюционного роста генома и снижения его функциональной эффективности обсуждается изменение климатических условий, важных для вегетации (температура, влажность, концентрация СО₂), в неблагоприятную сторону. Цена филогенетического адаптогенеза покрытосеменных к ступенчатому похолоданию климата в кайнозое – 4-кратный и более рост генома. В ходе реализации проекта планируется расширить эти разработки на другие группы растений – голосеменные и птеридофиты.

Фото, слева направо: структура базы данных Global Leaf Traits; относительные скорости диверсификации родов покрытосеменных растений для аридных и умеренно-прохладных территорий в эпохи мела-кайнозоя.
2017-2018. РНФ №14-16-00120 «Изменение стехиометрии малой антенны и реакционных центров фотосистемы 2 как уникальный механизм повышения урожайности и устойчивости ячменя к световому и водному стрессам (продолжение)». Руководитель — Войцеховская О.В.

Известно, что мутанты chlorina отличаются крайне высокой эффективностью фотосинтетического аппарата: скорость переноса электрона в пределах фотосистемы II (ФСII), а также скорость ассимиляции СО₂ на единицу хлорофилла, у них на 15–20 % выше, чем у растений дикого типа. Потенциально– использование сельскохозяйственных культур с таким типом организации фотосинтетического аппарата может дать высокий прирост урожая. Однако, до настоящего времени такие мутанты не рассматривались как перспективные модели для создания сортов и трансгенов с экономически значимым увеличением продуктивности. Это связано с тем, что побочные эффекты мутаций chlorina, в первую очередь, высокий уровень продукции активных форм кислорода в фотосинтетическом аппарате таких мутантов, сводят на нет потенциальную пользу от повышения эффективности фотосинтетической фиксации. Поэтому обнаруженный и изученный нами за время выполнения проекта 14-16-00120 высокопродуктивный фенотип мутанта ячменя chlorina f2³⁶¹³ (clo f2³⁶¹³), у которого практически отсутствуют побочные "негативные" эффекты мутации chlorina, представляет большой теоретический и практический интерес. В проекте будет продолжено изучение уникальной организации фотосинтетического аппарата этих мутантов.

Целью данной работы будет, во-первых, получение информации, необходимой для перевода полученных фундаментальных знаний в русло практического применения, а во-вторых, дальнейшее развитие сформулированных в процессе выполнения проекта 14-16-00120 фундаментальных концепций, открывающих принципиально новые пути регуляции фотосинтетической продуктивности высших растений. В частности, планируется: метаболомный анализ листьев и зерна clo f2³⁶¹³ (обоих фенотипов) и сравнение с диким типом; проведение полевых экспериментов по получению высокопродуктивного фенотипа мутанта путем изменения условий проращивания; исследование состава и организации суперкомплексов гранальных мембран ячменя (дикого типа, низкопродуктивного и высокопродуктивного фенотипов мутанта clo f2³⁶¹³) методами замораживания – травления и замораживания-скалывания; проведение экспериментов по введению ячменя в стерильную культуру, и в случае успеха – трансформации каллусов и получению трансгенных растений; характеристика фитохромов ячменя (дикого типа, низкопродуктивного и высокопродуктивного фенотипов мутанта clo f2³⁶¹³) и Арабидопсиса. Запланированные исследования включают спектр современных и сложных методик, часть которых разрабатывается совместно с Ресурсным центром на базе СПбГУ, и отличаются высокой актуальностью с точки зрения фундаментальных и прикладных исследований.

Фото: ячмень обыкновенный (дикий тип сорт Donaria и лишенный хлорофилла b мутант chlorina f2³⁶¹³). Слева направо: общий вид; анализ подвижности фотосинтетических пигмент-белковых комплексов и липидов в тилакоидных мембранах методом FRAP (Tyutereva et al. Photosynthesis Research 2017 133: 357–370); редокс-состояние P₇₀₀ при последовательном возбуждении ФСII и ФС I в листьях Donaria методом ПАМ-флуориметрии.
2018-2020. РФФИ №18-016-00220 «Изменения уровня экспрессии генов фосфорного и углеводного обмена в процессе развития эффективной арбускулярной микоризы Medicago lupulina c Rhizophagus irregularis». Руководитель — Юрков А.П. (ФГБНУ ВНИИСХМ), исполнитель — Добрякова К.С.
2017-2019. РФФИ №17-04-00837 «Изучение молекулярных и клеточных механизмов функционирования апикальной меристемы побега симплексного типа плаунообразных и голосеменных растений». Руководитель — Романова М.А. (СПбГУ), исполнители: Добрякова К.Е., Тютерева Е.В., Войцеховская О.В., Евкайкина А.И.
2015-2017. РНФ №15-14-30008 «Стресс и автофагия у растений: регуляторная роль цитоплазматического калия и активных форм кислорода». Руководитель — Демидчик В.В.
2015-2017. РФФИ № 15-04-07736 «Основы эволюционной изменчивости вторичной ксилемы травянистых растений». Руководитель — Степанова А.В.
2014-2016. РНФ №14-16-00120 «Изменение стехиометрии малой антенны и реакционных центров фотосистемы 2 как уникальный механизм повышения урожайности и устойчивости ячменя к световому и водному стрессам». Руководитель — Войцеховская О.В.
2013-2015. РФФИ №13-04-02000 (2013–2015) «Роль плазмодесм в формировании вегетативного тела высших растений: эволюционный аспект». Руководитель — Войцеховская О.В.
2013-2015. РФФИ №13-04-00580 «Криофилия альпийских и арктических трав». Руководитель — Гамалей Ю.В.