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 21-74-10088

НазваниеЭлектрический сигналинг как потенциальная основа для разработки новых методов сохранения продуктивности растений при развитии почвенной засухи

РуководительЮдина Любовь Михайловна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского", Нижегородская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2024

Конкурс№61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-204 - Биофизика

Ключевые словаЭлектрический сигналинг, дистанционные электрические сигналы, сельскохозяйственные растения, продуктивность, почвенная засуха, фотосинтез, транспирация, водный обмен, засухоустойчивость, нестабильные условия среды

Код ГРНТИ34.17.00, 34.31.23

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Предлагаемый проект направлен на поиск новых подходов к сохранению продуктивности растений в условиях развития засухи, связанной со снижением содержания воды в почве. Такая засуха является одной из основных причин потерь урожая в Российской Федерации и мире; при этом, в отдельные годы потери урожая могут достигать 30-50%. Подходы к сохранению продуктивности в условиях засухи часто опираются на использование собственных адаптационных механизмов растения, что позволяет осуществить своевременную (воздействие осуществляется на нужной стадии засухи) и пространственно-неоднородную (воздействие осуществляется только на те участки поля, где развивается водный дефицит) активацию защитных систем растений путем их обработки низкими концентрациями регуляторных соединений. Однако для значительного числа регуляторных систем растения, возможность участия в адаптации к засухе остается слабо исследованной. В частности, практически не изученным остается возможный вклад в адаптацию к засухе процессов электрического сигналинга (включая дистанционные электрические сигналы). При этом показано, что электрические сигналы возникают при локальном действии широкого спектра стрессоров, влияют на многочисленные физиологические процессы (включая водный обмен и фотосинтез) и снижают поражение растений при действии неблагоприятных температур. Важной особенностью влияния электрических сигналов на физиологические процессы является быстрый характер такого влияния (наиболее быстрые ответы транспирации и фотосинтеза могут наблюдаться в пределах 10 минут после распространения сигналов). На основании этого можно ожидать, что процессы электрического сигналинга могут также модифицировать поражение сельскохозяйственных растений при развитии почвенной засухи; т.е. могут быть использованы как принципиально новая основа для разработки методов сохранения продуктивности в условиях засухи. При этом, можно также ожидать, что для развития подобных модификаций засухоустойчивости потребуются относительно малые времена (~ десятков минут); т.е. основанные на электрическом сигналинге подходы могут стать экстренным инструментом для адаптации сельскохозяйственных растений к засухе. Общей задачей предлагаемого проекта является анализ перспектив использования электрического сигналинга (прежде всего, дистанционных электрических сигналов) в качестве основы для создания новых методов сохранения продуктивности сельскохозяйственных растений в условиях развития почвенной засухи. Для решения общей задачи проекта, в его рамках будут решаться следующие локальные задачи: - Исследование индукции и специфических особенностей электрических сигналов у растений при комбинированном действии факторов, сопровождающих развитие почвенной засухи (водный дефицит, повышенная температура, освещение высокой интенсивности), в стабильных и контролируемых (лабораторные эксперименты) и в нестабильных (эксперименты в условиях открытого грунта) условиях выращивания. - Анализ влияния электрических сигналов на продуктивность сельскохозяйственных растений в условиях развития почвенной засухи, включая исследование физиологических основ такого влияния (прежде всего, изменений водного обмена) в стабильных и контролируемых (лабораторные эксперименты) и в нестабильных (эксперименты в условиях открытого грунта) условиях выращивания. - Теоретический поиск потенциальных мишеней для модификации электрического сигналинга, направленный на сохранение продуктивности сельскохозяйственных растений в условиях почвенной засухи, и анализ подходов к реализации такой модификации. - Первичная экспериментальная верификация эффективности выявленных подходов к модификации электрического сигналинга и оценка их перспективности для создания новых методов сохранения продуктивности сельскохозяйственных растений в условиях засухи, обусловленной недостатком воды в почве. Для решения поставленных задач предполагается широкое использование современных методов исследования электрогенеза (многоканальное экстраклеточное отведение; при необходимости, микроэлектродное отведение), фотосинтетической активности (включая, при необходимости, РАМ-флуориметрию, РАМ-имиджинг, анализ индукционных кривых флуоресценции и анализ фотосинтетической ассимиляции углекислого газа с использованием инфракрасного газоанализатора), водного обмена (анализ транспирации с использованием инфракрасного анализатора, оценка водного индекса с использованием гиперспектральной камеры, оценка индекса проводимости устьиц с использованием тепловизора) и другое. Одновременно, в работе будет использованы надежные классические методы, включая оценку общей и сухой массы растений, относительного содержания воды и т.д. Значительная часть проекта будет посвящена разработке математической модели влияния электрических сигналов на водный обмен и продуктивность, которая будет опираться на ранее разработанные коллективом проекта модели электрогенеза высшего растения и модели ряда фотосинтетических процессов, на классические фотосинтетические модели, а также – на описание водных потоков в системе «почва-растение-воздух». Разработанная модель будет параметризирована и верифицирована, после чего она будет использована для выявления потенциальных мишеней для модификации электрогенеза и подходов, которые могут быть использованы для сохранения продуктивности сельскохозяйственных растений в условиях почвенной засухи. Коллектив проекта имеет значительный научный задел по проекту, включая большое число работ, посвященных влиянию электрических сигналов на фотосинтез, транспирацию и устойчивость, а также работ, посвященных оценке состояния растений на основе спектральных индексов и возможным путям модификации состояния растений. В целом, проблема участия электрических сигналов в сохранении продукционного процесса в условиях развития почвенной засухи обладает высокой научной новизной (проблема практически не исследована) и фундаментальной значимостью для физиологии растений (оценка возможности участия дальнего электрического сигналинга в защите растений в естественных условиях), а также связана с крайне актуальной прикладной проблемой в рамках сельского хозяйства (с созданием основ для разработки новых методов минимизации ущерба сельскохозяйственных растений от почвенной засухи).

Ожидаемые результаты
Общим результатом научного исследования будет оценка возможности использования электрического сигналинга (прежде всего, дистанционных электрических сигналов) в качестве инструмента для сохранения продуктивности растений в условиях почвенной засухи, а также выявление имеющихся при этом ограничений. Дополнительно будут выявлены потенциальные «мишени» для управления электрическим сигналингом и методы модификации таких мишеней, т.е. будет создана основа для прикладной разработки новых методов для сохранения продуктивности растений в условиях почвенной засухи. Среди ожидаемых конкретных научных результатов, имеющих самостоятельную фундаментальную и прикладную значимость, можно также отметить: - Выявление особенностей индукции электрических сигналов при комбинированном действии относительно умеренных стрессоров (в частности, умеренный локальный нагрев и локальное избыточное освещение, которые соответствуют нагреву участка растения при солнечном освещении) на растения, выращенные в нестабильных условиях открытого грунта. Ожидается, что такой анализ покажет возможность индукции электрических сигналов при действии естественных для окружающей среды факторов в нестабильных условиях выращивания. Это будет являться принципиально новым результатам в области электрофизиологии растений, который будет обладать высокой фундаментальной и прикладной значимостью. В частности, он покажет возможность участия электрических сигналов в регуляции физиологического состояния высших растений в естественных условиях, а значит – наличие перспектив для прикладного использования таких сигналов. - Выявление влияния дистанционных электрических сигналов на продукционный процесс у растений при развитии почвенной засухи и анализ роли водного обмена в реализации такого влияния. Такой анализ покажет, насколько электрические сигналы будут способствовать сохранению продукционного процесса в условиях почвенной засухи. Это будет являться значимым научным результатом, так как возможность участия электрических сигналов в адаптации растений к засухе остается не исследованной ни в лабораторных условиях, ни в условиях открытого грунта. - Разработка комплексной математической модели, объединяющей модель генерации и распространения дистанционных электрических сигналов, модель их влияния на фотосинтез и водный обмен, а также модель, связывающую изменения этих процессов и повышение засухоустойчивости растения. Такая комплексная модель может стать эффективным инструментом для исследования роли электрических сигналов в жизни растения и разработки новых подходов для их использования в области растениеводства. В настоящее время, подобные модели, связывающие между собой широкий спектр процессов, отсутствуют. В целом, ожидается, что результаты проекта будут иметь высокую научную значимость; предполагается, что они будут соответствовать мировому уровню исследования заявленной области, а возможно и превосходить его. Проект обладает высокими прикладными перспективами и, в случае успешного выполнения, может заложить основы для создания принципиально новых методов и технологий сохранения продукционного процесса у растений в условиях почвенной засухи, базирующихся на управление электрическим сигналингом растений.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---