Результаты фундаментальных, прикладных исследований и перспективы развития

ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Обнаружен механизм участия гормонов в быстрой передаче сигналов из одного органа растений в другие, основанный на сочетании согласованных изменений (1) скорости транспорта гормонов и (2) их метаболизма в органе мишени под влиянием как самих гормональных, так и других (гидравлических, электрических и трофических) сигналов. Инициатором приоритетных исследований взаимодействия электрических и гормональных сигналов был И.Ю. Усманов.

Большое внимание в лаборатории уделяется водному обмену растений, его роли в адаптации растений к условиям обитания. Совместно с коллегой из Ирландии (Dr. Wieland Fricke) впервые выявлена способность растений к быстрому (в течение 10 мин) накоплению гормона абсцизовой кислоты в листьях растений при засолении, что играет важную роль в регуляции устьичной проводимости и адаптации растений. Сообщения на эту тему, опубликованные в Journal of Experimental Botany, процитированы в нескольких сотнях статей в отечественных и зарубежных изданиях.

С помощью метода иммуногистохимической локализации установлен ряд закономерностей в распределении гормонов между клетками и их значение в регуляции роста и дифференциации клеток.

В последнее время объектом исследования стало формирование апопластных барьеров и гормональная регуляция этого процесса.  Совместно с сотрудниками Института биоорганической химии РАН  (группа Е. Финкиной)) с помощью иммуногистохимического подхода впервые выявлена локализация липид транспортирующих белков (ЛТБ) в обла сти флоэмы корней растений гороха, что свидетельствует о роли этих белков в транспорте липидов из побегов в корни (Akhiyarova et al., 2020).

В экспериментах in vivo и in vitro выявлена важная роль взаимодействия гормона абсцизовой кислоты АБК и активных форм кислорода в регуляции начальных стадий эмбриогенеза: поддержания активности меристемы, формирования зародыша и предотвращения преждевременного прорастания (Seldimirova et al., 2019). Получены приоритетные данные о взаимодействии АБК с активными формами кислорода в процессе регуляции содержания водных каналов аквапоринов в плазмаллеме корней и гидравлической проводимости (Sharipova et al., 2016; Veselov et al., 2018). Эти сведения важны для поиска способов управления устойчивостью растений к дефициту воды, связанных с регуляцией движения воды через ткани растений.

С помощью иммуногистохимического подхода с использованием антител, полученных от проф. Маки Катсухара (Окаямский университет), изучена локализация водных каналов аквапоринов в мембранах корней и выявлено ее значение в регуляции гидравлической проводимости растений в соответствии с повышением транспирации при нагреве воздуха.

Выявлен механизм регуляции транспорта цитокининов за счет их активного поглощения клетками корней (Kudoyarova et al., 2014; Korobova et al., 2021). Впервые показано, что активация этого процесса при тепловом шоке, засолении и дефиците фосфатов снижает приток цитокининов из корней, обеспечивая процесс адаптации растений к стрессовым условиям.

Экспериментально на примере пшеницы обоснованы выдвинутые чл.-корр. РАН Т.Б. Батыгиной (БИН РАН, г. Санкт-Петербург) теоретические положения об общих закономерностях и специфике различных типов и путей морфогенеза растений in vitro; об универсальности строения инициальных (как правило, стволовых) клеток, дающих начало новым растительным организмам, независимо от системы размножения.

На основании сравнительного морфологического, гистологического, гистохимического, цитофизиологического, иммуногистохимического анализа установлены как общие закономерности, так и специфика различных типов морфогенеза пшеницы in vitro. Разработаны способы направленной дифференциации инициальных клеток и пролиферации тканей под действием гормональных индукторов с целью управления отдельными этапами онтогенеза и морфогенеза пшеницы in vitro.

 ВАЖНЕЙШИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Совместно с д.б.н. С.Ю. Веселовым разработан метод твердофазного иммуноферментного анализа и иммунолокализации гормонов растений, оригинальный метод определения активности цитокиноксидазы. В лаборатории, одной из немногих в мире, применяется высокотехнологичный метод анализа гормонов, основанный на сочетании иммунохимических и микроскопических подходов для изучения локализации гормонов и функционально важных белков в клетках растений. Эти методы нашли широкое применение как в УНЦ РАН, так и десятках лабораторий, сотрудники которых обучались методу в УИБ. Со многими зарубежными и отечественными коллегами сотрудничество продолжается (Ланкастерский университет, Ian Dodd, Великобритания; Университет в Антверпене, Else Prinsen, Бельгия; Окаямский университет, проф. Maki Katsuhara, Япония; Дублинский университет, Wieland Fricke, Ирландия; университет в Кайзерслаутерн, Torsten Möhlmann, Германия; кафедра физиологии и биохимии растений Санкт-Петербургский университет, д.б.н. М.Ф.Шишова; кафедра физиологии растений МГУ, к.б.н. М.А. Брейгина; институт биоорганической химии, к.б.н. Е.И.Финкина; институт леса им. В.Н.Сукачева, д.б.н. И.Н.Третьякова; НИИ сельского хозяйства Крыма, д.б.н. Н.А.Егорова). Исследования поддержаны грантами РНФ и РФФИ, Королевского общества (Великобритания), DAAD (Германия), университетами Бельгии и Ирландии,

Впервые показано, что применяемый во всем мире локальный способ внесения удобрений повышает урожайность растений пшеницы в условиях засухи, и выявлен механизм этого феномена. Он заключается в функциональной специализации корней: в очаге минерального питания усиливается ветвление корней, а вне него – их удлинение, что позволяет растению поглощать воду из глубины почвы, где она дольше сохраняется в условиях засухи (Trapezinikov et al., 2003; Трапезников и др., 2013). С помощью метода иммуногистохимической локализации обнаружен механизм активации удлинения корней за счет снижения уровня цитокининов в кончиках корней (Коробова и др., 2018; Vysotskaya et al., 2020).

Впервые выявлен механизм переключения адаптивной стратегии растений, обеспечивающей экономию воды, на активацию ее поглощения. Показано, что в основе триггера лежит распределение гормона абсцизовой кислоты (АБК) между побегом и корнем: накопление АБК в листьях закрывает устьица и ограничивает испарение, а отток гормона в корни повышает способность корней поглощать воду (Фархутдинов и др., 2003; Veselov et al., 2018).

Важной составляющей тематики лаборатории является изучение взаимодействия ризосферных бактерий и растений, которое проводится совместно с сотрудниками лабораторий биологически активных веществ, прикладной микробиологии и агробиологии отобраны штаммы бактерий, способные продуцировать гормоны растений. Выявлена способность ряда бактерий рода Bacilus и Pseudomonas продуцировать гормоны растений и ее значение в стимуляции роста и продуктивности растений пшеницы, салата, ячменя, гороха, овсяницы и клевера  (Wilkinson et al., 2012; Галимзянова и др., 2018; Kudoyarova et al., 2020; Chetverikov et al., 2021) в оптимальных и стрессовых условиях. Получены приоритетные данные о повышении способности корней поглощать воду под влиянием бактерий за счет увеличения концентрации АБК в корнях пшеницы и ячменя, что способствует возрастанию их гидравлической проводимости (Arkhipova et al., 2020)

Опубликовано несколько обзоров, посвященных взаимодействию бактерий и микроорганизмов (один – в журнале Frontier in Plant Sciences). Показана перспективность применения ассоциации ризосферных растений рода Pseudomonas c растениями ячменя для фитомедиации загрязненных нефтью почв.

Выявлены физиологические признаки, которые могут быть использованы для оценки селекционного материала и разработки рекомендаций по районированию новых сортов. Разработана клеточная агробиотехнология стабильного получения в короткие сроки гомозиготных андроклинных дигаплоидных линий яровой мягкой пшеницы как исходного селекционного материала по ускоренному выведению конкурентоспособных сортов для климатических условий Южного Урала. На основе эмбриологических и цитофизиологических данных оптимизирован регламент инновационной биотехнологии получения растений-регенерантов пшеницы в эмбриокультуре in vitro и в культуре in vitro каллусов, полученных из разновозрастных зародышей. Разработаны оригинальные периодизации развития пыльника и зародыша пшеницы in vivo для биотехнологических исследований в области культуры in vitro. 

ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

Взаимодействие процессов, обеспечивающих регуляцию водного обмена и ионного гомеостаза при засолении.

Исследование роли водных каналов аквапоринов в регуляции гидравлической проводимости целого растения при дефиците воды и засолении, координации гидравлической проводимости апопластного и трансмембранного транспорта воды в норме и при стрессе (работа уже поддержана грантом РНФ).

Выявление механизмов гормональной регуляции морфологической адаптации корневой системы к уровню и распределению ионов и воды в почве.

Взаимодействие гормональных, гидравлических и трофических сигналов. Относительная роль гормонов, продуцируемых самим растением и поступающих в него извне. Радиальный транспорт гормонов; механизмы, обеспечивающие контроль загрузки гормонов в проводящую систему растений.

и многое другое