Физиологические и молекулярные механизмы адаптации хвойных растений к засухе

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 16-14-10224

НазваниеФизиологические и молекулярные механизмы адаптации хвойных растений к засухе

Руководитель Кузнецов Владимир Васильевич, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №13 - Конкурс 2016 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-206 - Физиология и биохимия растений

Ключевые слова Сосна обыкновенная, ель европейская, адаптация, транспирация, водный статус, ФСII, химические шапероны, дегидрины, экспрессия генома, АБК, аквапорины, антиоксиданты

Код ГРНТИ34.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность научной проблемы данного проекта обусловлена неблагоприятными глобальными изменениями климата, которые проявляются в возрастании частоты и продолжительности засух (Мохов, 2011). На глобальном уровне засуха оказывает наибольшее негативное воздействие на стабильность и продуктивность лесных экосистем (Anderegg et al., 2013). Это воздействие проявляется в ингибировании роста сеянцев, снижении продуктивности лесных насаждений, увеличении восприимчивости древостоев к биопатогенам и насекомым-вредителям, а также в повышении уровня пожароопасности в лесах (Reichstein et al., 2013). Серьезный прогресс в изучении механизмов устойчивости растений к условиям засухи, достигнутый в последние годы, касается в основном травянистых растений, тогда как данные по воздействию водного дефицита на хвойные растения немногочисленны и фрагментарны. Это определяет высокую степень новизны решаемых в проекте задач и позволяет рассматривать выяснение физиологических и молекулярных механизмов адаптации хвойных растений к засухе в качестве актуальной фундаментальной проблемы. Исследования будут проводиться, преимущественно, в модельных экспериментах на сеянцах сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) и ели европейской (Picea abies (L.) H.Karst.) на ранней стадии онтогенеза, характеризующейся наименьшей устойчивостью к неблагоприятным воздействиям (Kozlov, Zvereva, 2007). В работе будут использованы современные физиологические, биохимические, биофизические и молекулярные методы исследования. В рамках проекта серьезное внимание будет уделено способности сеянцев сосны и ели сохранять водный баланс в условиях засухи, что является ключевым условием выживания организма при водном дефиците. С этой целью будут изучены физиологические (интенсивность транспирации, оводненность тканей, RWC и клеточный осмотический потенциал) и молекулярные процессы (экспрессия генов аквапоринов и уровень кодируемых ими белков, обеспечивающих трансмембранный перенос молекул воды; экспрессия генов дегидринов, играющих важную роль в условиях острого водного дефицита). Планируется получить новые данные по формированию и функционированию у хвойных в условиях интенсивного водного дефицита двух основных клеточных стресс-протекторных систем: одна из которых обеспечивает осморегуляцию и защиту макромолекул от повреждения (осмолиты, такие как пиннит, пролин и др.), вторая регулирует окислительный статус (антиоксидантные системы). Для характеристики антиоксидантной системы будет исследована динамика активностей основных антиоксидантных ферментов (супероксиддисмутазы, каталазы, аскорбатпероксидазы, глутатионредуктазы) и общая антиоксидантая активность низкомолекулярных органических соединений в корнях и хвое сеянцев, а также содержание глутатионов (восстановленной и окисленной форм) и аскорбиновой кислоты. Обе эти протекторные системы обеспечивают защиту макромолекул и мембран при стрессе, когда механизмы поддержания водного гомеостаза уже исчерпали свой потенциал. Предполагается секвенировать транскриптом сосны обыкновенной и ели европейской в условиях засухи, а также всех клеточных транскриптов микроРНК, что позволит идентифицировать тургор-регулируемые гены и потенциальные мишени обнаруженных нами микроРНК. Будут получены новые данные по функционированию фотосинтетического аппарата у сравниваемых видов хвойных в условиях интенсивного водного дефицита. В частности, будет оценен раздельный вклад устьичного и неустьичного лимитирования фотосинтеза у сеянцев сосны и ели в условиях засухи за счет совместного использования методов СО2/Н2О-газометрии и PAM-флуориметрии, что крайне важно для понимания физиологических основ повреждающего действия водного дефицита на фотосинтез. Предусмотрено изучение экспрессии генов метаболизма абсцизовой кислоты и динамики ее содержания в органах сеянцев сосны и ели при засухе, поскольку АБК является гормоном стресса и играет важнейшую роль в регуляции ответа растений на водный дефицит. Заключительным этапом данного проекта будет сравнительное изучение засухоустойчивости естественных взрослых хвойных древостоев, расположенных в различных географических регионах России. Эта часть работы будет основана на разработанных нами в модельных экспериментах физиологических критериях оценки, и позволит установить, одинаковые или различные стратегии адаптации к водному дефициту используют взрослые сосновые и еловые древостои, и изменяются ли эти стратегии на разных этапах онтогенеза. В ходе выполнения проекта, который соответствует мировому уровню, будут получены новые приоритетные экспериментальные данные, описывающие физиологические и молекулярные механизмы адаптации хвойных растений к засухе. Наряду с фундаментальным значением, новые результаты будут необходимы для разработки технологий лесовосстановления и лесоразведения хозяйственно ценными хвойными породами в условиях неблагоприятных изменений глобального климата.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Злобин И.Е., Иванов Ю.В., Карташов А.В., Кузнецов В.В. Impact of drought stress induced by polyethylene glycol on growth, water relations and cell viability of Norway spruce seedlings Environmental Science and Pollution Research, Volume 25, Issue 9, Pages 8951-8962 (год публикации - 2018)
10.1007/s11356-017-1131-7

2. Злобин И.Е., Иванов Ю.В., Карташов А.В., Сарвин Б.А.,Ставрианиди А.Н., Креславский В.Д., Кузнецов В.В. Impact of weak water deficit on growth, photosynthetic primary processes and storage processes in pine and spruce seedlings Photosynthesis Research (год публикации - 2019)
10.1007/s11120-018-0520-1

3. Иванов Ю.В., Карташов А.В., Иванова А.И., Иванов В.П., Марченко С.И., Нартов Д.И, Кузнецов В.В. Long-term impact of cement plant emissions on the elemental composition of both soils and pine stands and on the formation of Scots pine seeds Environmental Pollution, Volume 243, Part B, Pages 1383-1393 (год публикации - 2018)
10.1016/j.envpol.2018.09.099

4. Иванов Ю.В., Карташов А.В., Злобин И.Е., Сарвин Б., Ставрианиди А.Н., Кузнецов В.В. Water deficit-dependent changes in non-structural carbohydrate profiles, growth and mortality of pine and spruce seedlings in hydroculture Environmental and Experimental Botany, Volume 157, Pages 151-160 (год публикации - 2019)
10.1016/j.envexpbot.2018.10.016

5. Иванов Ю.В., Злобин И.Е., Карташов А.В., Савочкин Ю.В., Кузнецов В.В. Effect of prolonged water deficiency of various intensities on growth, water homeostasis and physiological activity of pine seedlings Russian Journal of Plant Physiology (год публикации - 2019)

6. Пашковский П., Карташов А., Злобин И., Иванов Ю., Кузнецов В. Physiological mechanisms of adaptation of conifer seedlings to water deficiency of different intensities Abstract book for the plant biology Europe conference in Copenhagen, Abstract book for the plant biology Europe conference in Copenhagen, p. 285. (год публикации - 2018)

7. Кузнецов В.В., Злобин И.Е., Карташов А.В., Сарвин Б.А., Ставрианиди А.Н., Пашковский П.П., Иванов Ю.В. Физиологические механизмы адаптации хвойных к засухе Механизмы устойчивости растений и микроорганизмов к неблагоприятным условиям среды: Сборник материалов Годичного собрания Общества физиологов растений России, Всероссийской научной конференции с международным и участием и школы молодых ученых, Иркутск: Изд-во Института географии им. В.Б. Сочавы СО РАН, 2018. – В 2-х частях. Часть I. – С. 17-20. (год публикации - 2018)
10.31255/978-5-94797-319-8-17-20

8. Злобин И.Е., Карташов А.В., Шпаковский Г.В. Different roles of glutathione in copper and zinc chelation in Brassica napus roots Plant Physiology and Biochemistry, V. 118, P. 333-341 (год публикации - 2017)
10.1016/j.plaphy.2017.06.029

9. Иванов Ю.В., Злобин И.Е., Карташов А.В., Пашковский П.П., Кузнецов Вл.В. Scale of Physiological Processes Sensitivity to PEG-Induced Water Stress in Scots Pine Seedlings Russian Journal of Plant Physiology (год публикации - 2018)

10. Воронин П.Ю., Рахманкулова З.Ф., Шуйская Е.В., Маевская С.Н., Николаева М.К., Максимов А.П., Максимов Т.Х., Мясоедов Н.А., Балнокин Ю.В., Рымарь В.П., Валдайских В.В., Кузнецов Вл.В. New method for quantitative determination of water potential of mesophyll cells’ apoplast in substomatal cavity of the leaf Russian Journal of Plant Physiology, V. 64, № 3, P. 452–456 (год публикации - 2017)
10.1134/S1021443717020133

11. Воронин П.Ю., Рахманкулова З.Ф., Тарнопольская Е.Е., Кузнецов Вл.В. Закрывание устьиц хвои сосны в условиях водного дефицита определяется снижением водного потенциала апопласта мезофилла подустьичной полости Russian Journal of Plant Physiology (год публикации - 2018)

Публикации