Изменение стехиометрии малой антенны и реакционных центров фотосистемы 2 как уникальный механизм повышения урожайности и устойчивости ячменя к световому и водному стрессам

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 14-16-00120

НазваниеИзменение стехиометрии малой антенны и реакционных центров фотосистемы 2 как уникальный механизм повышения урожайности и устойчивости ячменя к световому и водному стрессам

Руководитель Войцеховская Ольга Владимировна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №1 - Конкурс 2014 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки; 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые слова ячмень Hordeum vulgare L., фотосинтез, тилакоидные мембраны, урожайность, абсцизовая кислота, световой стресс, фотозащита, малая антенна, фотосистема 2

Код ГРНТИ34.17.09

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Ячмень является важнейшей зерновой культурой, объем производства которой обеспечивает около четверти валового урожая зерновых в Российской Федерации. В настоящее время существует потребность в создании районированных сортов ячменя, обладающих свойством высокой и при этом стабильной, независимой от местных погодных вариаций зерновой продуктивности. Урожайность этой культуры определяется множеством онтогенетических и климатических факторов, что затрудняет получение высокопродуктивных сортов методами традиционной селекции. В связи с этим по-прежнему актуально детальное изучение физиолого-биохимических и молекулярно-генетических детерминант, определяющих высокую эффективность продукционного процесса ячменя. Коллектив исполнителей предлагаемого проекта обладает уникальным модельным объектом – дефектным по хлорофиллид-а-оксигеназе мутантом ячменя chlorina 3613 (clo-f23613), продукционный процесс которого может быть многократно увеличен при условии соблюдения оригинальной системы приёмов возделывания этой культуры (результаты НИР Соглашения №8716, поддержанного Минобрнауки РФ в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы). Нами были выявлены ключевые структурные особенности и физиолого-биохимические процессы, позволяющие растениям мутанта формировать высокоэффективную защиту от светового и водного стрессов, являющихся основными факторами снижения урожайности зерновых культур, а также развивать продукционный процесс, сходный c, или превышающий таковой, растений дикого типа. Нами показано, что структурной основой формирования уникальной надмолекулярной организации комплексов тилакоидных мембран мутанта clo-f23613, обеспечивающей высокий выход фотосинтеза и продуктивность, является накопление трёх белков малой антенны, а также стабилизация и накопление как димерных, так и мономерных реакционных центров фотосистемы II. Белки малой антенны, по последним данным, являются местом синтеза гормона устойчивости к засухе – абсцизовой кислоты (Xu et al., 2012), а изменение стехиометрии малой антенны и реакционных центров фотосистемы II по нашим данным обеспечивает необычно высокий уровень защиты от светового стресса и связанное с этим повышение фотосинтетической продуктивности. Регуляторные пути формирования этой структуры оказались связанными с функционированием трех сигнальных путей - фотопериодической реакции в сочетании с холодовой чувствительностью на стадии прорастания, а также хлоропластного сигналинга, направленного на оптимизацию ядерной экспрессии компонентов пигмент-белковых комплексов при варьировании уровня световой нагрузки (результаты поддержанного в 2012-2013 гг. РФФИ проекта №12-04-32078). Цель предлагаемой НИР состоит в изучении механизмов формирования уникальной стехиометрии и пространственной организации суперкомплексов фотосинтетического аппарата тилакоидных мембран хлоропластов мутанта ячменя clo-f23613, а также исследовании возможности использовать те же механизмы для повышения устойчивости к абиотическим стрессам, продуктивности фотосинтеза и урожайности у растений ячменя дикого типа (не мутантов). Кроме того, в рамках НИР будет проведен биоинформатический анализ результатов микрочипирования транскриптомов высокопродуктивного и низкопродуктивного фенотипов clo-f23613, выполненного на матрицах Affymetrix GenChip®Barley Genome Array, что позволит выявить дифференциально экспрессирующиеся гены, определяющие уникальные свойства тилакоидной мембраны высокопродуктивного фенотипа. На основании совокупности данных планируется получение стабильных агробактериальных трансформантов Arabidopsis thaliana, предположительно обладающих повышенной фотосинтетической продуктивностью и стрессоустойчивостью. Параллельно будут проводиться эксперименты по получению и анализу аналогичных трансформантов ячменя. Результаты позволят заложить основы создания сортов ячменя, обладающих необычно высокой урожайностью и устойчивостью к световому и водному стрессам.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Тютерева Е.В., Дмитриева В.А., Войцеховская О.В. Хлорофилл b как источник сигналов, регулирующих развитие растений Сельскохозяйственная биология (год публикации - 2017)

2. Тютерева Е.В., Бреннер В.Г., Иванова А.Н., Павловски К., Войцеховская О.В. Truncated chlorophyll b-less antenna of chlorina f2 3613 barley mutant can provide light-tolerance and wild type level productivity Тезисы международной научной конференции «Фотосинтез и устойчивое развитие-2015», посвященной Джорджу Пападжорджиа, Крит, Греция, C. 89. (год публикации - 2015)

3. Войцеховская О.В., Демченко К.Н., Мельникова А.Н., Иванова А.Н., Евкайкина А.И., Лохаус Г., Хельт Х.-В., Томос А.Д., Тютерева Е.В., Королева О.А. Comparative study of plasmodesmata distribution in leaves of four species with contrasting phloem loading mode Journal of Experimental Botany (год публикации - 2017)

4. Тютерева Е.В., Бреннер В.Г., Иванова А.Н., Дмитриева В.А., Павловски K., Войцеховская О.В. Высокие фотосинтез и продуктивность лишенного хлорофилла b мутанта ячменя chlorina 3613 - результат адаптивных перестроек тилакоидной мембраны и изменений ретроградного сигналинга Тезисы III (XI) Международной ботанической конференции молодых ученых в Санкт-Петербурге 4-9 октября 2015 г., Санкт-Петербург, Россия, С.84. (год публикации - 2015)

5. Дмитриева В.А., Тютерева Е.В., Войцеховская О.В. Роль хлорофилла b и стабилизации пигмент-белковых комплексов хлоропластов в регуляции онтогенеза Hordeum vulgare и Arabidopsis thaliana Тезисы VIII Съезда общества физиологов растений России «Растения в условиях глобальных и локальных природно-климатических и антропогенных воздействий», Петрозаводск, С. 164. (год публикации - 2015)

6. Тютерева Е.В., Бреннер В.Г., Иванова А.Н., Павловски К., Войцеховская О.В. Mechanisms of an increase in photoprotection and photosynthesis productivity in the chlorophyll b-less barley mutant chlorina 3613 Материалы VII съезда Российского фотобиологического общества пос. Шепси, 14-20 сентрября 2014 г., Пущино, Россия, С. 33. (год публикации - 2014)

7. Тютерева Е.В., Бреннер В.Г., Иванова А.Н., Павловски К., Войцеховская О.В. Organization of photosynthetic apparatus in the unique light-tolerant phenotype of the chlorina 3613 barley mutant lacking chlorophyll b The XXVIth Congress of the Scandinavian Plant Physiology Society, Stockholm, Sweden on 9-13 August 2015. Book of abstracts., Stockholm, Sweden on 9-13 August 2015. Book of abstracts. Abstract reference number: 73. (год публикации - 2015)

8. Войцеховская О.В., Тютерева Е.В. Chlorophyll b in angiosperms: Functions in photosynthesis, signaling and ontogenetic regulation Journal of Plant Physiology, №189; P. 51-64 (год публикации - 2015)
10.1016/j.jplph.2015.09.013

9. Тютерева Е.В., Бреннер В.Г., Иванова А.Н., Дмитриева В.А., Павловски K., Войцеховская О.В. Уникальная организация фотосинтетического аппарата лишенного хлорофилла b мутанта ячменя chlorina 3613 c высоким уровнем фотосинтеза и продуктивности Тезисы VIII Съезда общества физиологов растений России «Растения в условиях глобальных и локальных природно-климатических и антропогенных воздействий», Петрозаводск, С. 541 (год публикации - 2015)

10. Войцеховская О.В. Фитохромы и другие фоторецепторы информации у растений Физиология растений, Т. 66, №3 (год публикации - 2019)

11. Дмитриева В.А., Иванова А.Н., Тютерева Е.В., Евкайкина А.И., Климова Е.А., Войцеховская О.В. Chlorophyllide-a-Oxygenase (CAO) deficiency affects the levels of singlet oxygen and formation of plasmodesmata in leaves and shoot apical meristems of barley Plant signaling and behavior (год публикации - 2017)

12. Тютерева Е.В., Дмитриева В.А., Шаварда А.Л., Войцеховская О.В. The minor antenna protein Lhcb6 is involved in ROS homeostasis and stomata control in barley mutant chlorina f2 3613 Functional Plant Biology (год публикации - 2016)

13. Тютерева Е.В., Иванова А.Н., Войцеховская О.В. Фотосинтез без хлорофилла b: уникальная организация фотосинтетического аппарата мутанта ячменя chlorina 3613 Ботаника: история, теория, практика (к 300-летию основания Ботанического института им. В.Л. Комарова российской академии наук): Труды международной научной конференции., СПб: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», С. 190-203. (год публикации - 2014)

14. Тютерева Е.В., Бреннер В.Г., Иванова А.Н., Павловски К., Войцеховская О.В. Mechanisms of light stress tolerance in barley mutant plants lacking chlorophyll b Proceedings of Fourth International Symposium on Plant Signaling and Behavior. St. Petersburg, 19–24 June 2016, C. 105 (год публикации - 2016)

15. Войцеховская О.В., Тютерева Е.В. Роль хлорофилла b в организации фотосинтетической мембраны, фотосинтезе и онтогенетическом сигналинге Сборник материалов Всероссийской научной конференции с международным участием "Фундаментальные и прикладные проблемы современной экспериментальной биологии растений", Москва: ИФР РАН, 2015. С. 152-156 (год публикации - 2015)

16. Дмитриева В., Тютерева Е.В., Войцеховская О.В. Late flowering in chlorina mutants: how does lack of chlorophyll b affect flowering time? Proceedings of Fourth International Symposium on Plant Signaling and Behavior. St. Petersburg 19–24 June 2016, C. 71 (год публикации - 2016)

17. Тютерева Е.В., Иванова А.Н., Войцеховская О.В. Изучение организации тилакоидных мембран у двух фенотипов мутанта ячменя chlorina 3613 с помощью просвечивающей электронной микроскопии Сборник тезисов 1-й междисциплинарной конференции «Современные решения для исследования природных, синтетических и биологических материалов», Санкт-Петербург, Россия 20–22 октября 2014 г. С. 101. (год публикации - 2014)

18. Дмитриева В.А., Тютерева Е.В., Войцеховская О.В. Особенности перехода к цветению при дестабилизированной светособирающей антенне на примере мутанта Arabidopsis thaliana ch1-1, лишенного хлорофилла b Тезисы III (XI) Международной ботанической конференции молодых ученых в Санкт-Петербурге 4-9 октября 2015 г., Санкт-Петербург, Россия, С.72. (год публикации - 2015)

19. Дмитриева В.А., Тютерева Е.В., Войцеховская О.В. Ontogenetic regulation in Hordeum vulgare and Arabidopsis thaliana mutants lacking chlorophyll b The XXVIth Congress of the Scandinavian Plant Physiology Society, Stockholm, Sweden on 9-13 August 2015. Book of abstracts., Stockholm, Sweden. Book of abstracts. Abstract reference number: 61. (год публикации - 2015)

20. Тютерева Е.В., Евкайкина А.И., Иванова А.Н., Войцеховская О.В. The absence of chlorophyll b affects lateral mobility of photosynthetic complexes and lipids in grana membranes of Arabidopsis and barley chlorina mutants Photosynthesis Research (год публикации - 2017)

Публикации