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


Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Выполняемый проект посвящен поиску новых подходов к сохранению продуктивности растений в условиях развития засухи, в частности перспектив использования электрического сигналинга в качестве основы для создания таких подходов. В рамках отчетного года были получены следующие результаты: 1. Показано, что комбинация умеренных неповреждающих стрессовых воздействий, которые могут присутствовать в условиях открытого грунта - локального нагрева (повышение температуры до 40ºС) и освещения (синий свет, 540 мкмоль м-2 с-1) вызывает стабильное распространение гиперполяризационных электрических сигналов базипетально по листу пшеницы, дальность распространения может достигать как минимум 9 см от зоны воздействия. Выявленные сигналы могут быть охарактеризованы как системные потенциалы. Кроме того, показана ключевая роль нагревания в индукции таких гиперполяризационных сигналов. 2. Показано, что использование водного индекса не является оптимальным для оценки водного обмена пшеницы, так как величина этого показателя слабо связана с содержанием воды в растениях и интенсивностью водной проводимостью листа. Напротив, модифицированный индекс проводимости устьиц, рассчитанный на основании температуры листа, сухого и влажного стандартов, сильно связан с этими параметрами. Такие результаты показывают, что индекс проводимость устьиц может быть использован для дистанционной оценки устьичной проводимости листьев растений в дальнейших исследованиях влияния выявленных сигналов на физиологическое состояние растений в контрольных условиях и при развитии почвенной засухи. 3. Выявлено влияние гиперполяризационных сигналов (системных потенциалов) на фотосинтез и водную проводимость в листьях растений. Показано развитие фотосинтетических ответов, таких как снижение квантового выхода фотореакций фотосистемы II, возрастание нефотохимического тушения, в окрестности зоны воздействия (3-5 см), а также снижение устьичной проводимости листа пшеницы, которое может наблюдаться даже на 11 см от зоны действия стрессоров. Такие изменения параметров аналогичны ответам, возникающим при распространении деполяризационных сигналов. Эффект усиливается при увеличении интенсивности актиничного света, при котором проводятся измерения. 4. Предварительное исследование влияния кратковременного водного дефицита на электрические сигналы, вызванные сильным стрессором (локальный ожог листа у гороха), и на последующие ответы фотосинтеза и транспирации показывает значительное снижение амплитуды сигналов (в том числе направленных в сторону гиперполяризации) и фотосинтетических ответов при сильном водном дефиците. 5. Выявлена модификация параметров электрических сигналов и их влияния на физиологические процессы (параметры световой стадии фотосинтеза, включая квантовый выход фотосистемы II и нефотохимическое тушение, устьичная проводимость) в условиях засухи при действии комбинированных стрессоров. Показано, что умеренная почвенная засуха слабо снижает амплитуду гиперполяризационных сигналов, индуцированных сочетанием локального нагрева и освещения, а также не меняет дальности распространения сигналов. В то же время такая засуха модифицирует локализацию фотосинтетических ответов (они наблюдаются на больших расстояниях от зоны воздействия) и снижает ответы транспирации. Сильная почвенная засуха, существенно снижает амплитуду электрических сигналов и полностью подавляет изменения параметров световой стадии фотосинтеза и транспирации. 6. Индукция сигналов гиперполяризации при комбинированном действии локального нагрева и освещения не оказывает существенного влияние на продуктивность растений (сухой вес) в условиях умеренной почвенной засухи; однако повышается сохранность продукционного процесса в условиях сильной засухи по сравнению с отсутствием индукции сигналов. Механизмом поддержания продукционного процесса в условиях засухи может быть снижение потери воды после распространения гиперполяризационных сигналов. Полученные результаты имеют как фундаментальное, так и прикладное значение, создавая основу для разработки новых подходов для поддержания продуктивности растений в условиях водного дефицита.

 

Публикации

1. Юдина Л.М., Громова Е.Н., Гринберг М.А., Попова А.Ю., Сухова Е.М., Сухов В.С. Influence of burning-induced electrical signals on photosynthesis in pea can be modified by soil water shortage Plants, V. 11, N 4. Article 534 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/plants11040534

2. Попова А.Ю., Сухова Е.М., Сухов В.С., Юдина Л.М. Почвенная засуха изменяет влияние электрических сигналов на фотосинтез у гороха посевного Биосистемы: организация, поведение, управление: Тезисы докладов 75-й Всероссийской с международным участием школы конференции молодых ученых. Н. Новгород, Университет Лобачевского., 272 с. (год публикации - 2022)


Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Основными задачами исследования на втором этапе выполнения проекта был экспериментальный анализ особенностей электрических сигналов, вызванных локальным освещением и умеренным нагревом, и физиологических ответов на такие сигналы у растений, выращенных в условиях открытого грунта, а также – разработка математической модели распространения выявленных электрических сигналов. В ходе решения задач этапа был получен ряд важных результатов. Было показано, что сочетание локального освещения и умеренного нагрева может вызывать у растений пшеницы, выращенных в условиях открытого грунта, как деполяризационные сигналы с небольшой амплитудой, так и гиперполяризационные сигналы. Деполяризационные сигналы наблюдались у более молодых растений (16-17 суток); амплитуда таких сигналов уменьшалась с увеличением расстояния до зоны стимуляции. У более старших растений (23-24 сутки), деполяризационные сигналы наблюдались только вблизи зоны стимуляции; с увеличением расстояния такие сигналы трансформировались в гиперполяризационные. В условиях слабой и умеренной засухи, у растений были выявлены деполяризационные сигналы с небольшой амплитудой; в условиях сильной засухи распространение сигналов было подавлено. Анализ влияния выявленных электрических сигналов на фотосинтез показал, что в контрольных условиях гиперполяризационные сигналы вызывали инактивацию фотосинтетических процессов (снижение квантового выхода фотосистемы II и возрастание нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла) на расстоянии 3 см от зоны стимуляции, в то время как деполяризационные сигналы с небольшой амплитудой не оказывали влияния на фотосинтетические процессы. Деполяризационные сигналы не оказывали влияния на фотосинтез в условиях слабой засухи (3 суток); как электрические сигналы, так и ответы фотосинтеза отсутствовали в условиях сильной засухи (13-14 суток). При умеренной засухе (6-7 суток), деполяризационные сигналы вызывали выраженную инактивацию фотосинтеза. Локализация такой инактивации была сдвинута на большие расстояния от зоны стимуляции (5-9 см), что было сходно с ранее выявленным сдвигом области фотосинтетического ответа, вызванного гиперполяризационными сигналами при умеренной засухе (результаты первого этапа выполнения проекта). Локализация и направление изменений индекса проводимости устьиц, вызванных деполяризационными сигналами у выращенных в условиях открытого грунта растений, не соответствовала фотосинтетическим ответам. Это показывает, что изменения открытости устьиц не были механизмом влияния выявленных электрических сигналов на фотосинтетические процессы. Анализ влияния выявленных электрических сигналов на засухоустойчивость растений пшеницы в условиях открытого грунта показал, что индукция деполяризационных сигналов на 6-7е сутки засухи приводила к меньшему итоговому подавлению продуктивности (определенной на основе итогового сырого и сухого веса) и меньшему снижению содержанию хлорофиллов (оцененному по величине итогового NDVI). Стимуляция растений на 3и и 13-14е сутки засухи не оказывала влияния устойчивость растений. Важно отметить, что возрастание устойчивости проростков пшеницы наблюдалось именно в том варианте эксперимента, в котором индукция электрических сигналов приводило к формированию ответов фотосинтеза; это подтверждает значимость таких ответов в сохранении продуктивности при засухе. Была разработана математическая модель выявленных сигналов, базирующаяся на гипотезе об единой гидравлической природе выявленных гиперполяризационных и деполяризационных сигналов. Модель включала в себя аналитическое описание распределения гидростатического давления вдоль ксилемы, зависимость активности Н+-АТФазы от величины давления, полученную на основании дополнительного блока экспериментов, и детализированную модель электрофизиологических процессов в растительной клетке, основанную на ранее разработанной коллективом проекта серии моделей электрических ответов растений (модели потенциала действия и вариабельного потенциала). В ходе анализа модели было показано, что она описывает основные свойства выявленных электрических сигналов, включая зависимость типа сигнала (вариабельный потенциал, деполяризационный сигнал с небольшой амплитудой, гиперполяризационный сигнал, многофазные сигнал) от силы действия стимула, расстояния до зоны стимуляции, открытости устьиц и содержания воды в растении. В целом, полученные результаты подтверждают возможность возникновения электрических сигналов (как деполяризационных, так и гиперполяризационных) при действии умеренных стрессоров у растений, выращенных в условиях открытого грунта, гидравлическую гипотезу распространения таких сигналов, а также – их влияние на фотосинтез и засухоустойчивость.

 

Публикации

1. Юдина Л.М., Сухова Е.М., Попова А.Ю., Золин Ю.А., Абашева К.Р., Гребнева К.В., Сухов В.С. Local action of moderate heating and illumination induces propagation of hyperpolarization electrical signals in wheat plants Frontiers in Sustainable Food Systems, V. 61. Article 1062449 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3389/fsufs.2022.1062449

2. Юдина Л.М., Сухова Е.М., Попова А.Ю., Золин Ю.А., Абашева К.Р., Гребнева К.В., Сухов В.С. Hyperpolarization electrical signals induced by local action of moderate heating influence photosynthetic light reactions in wheat plants Frontiers in Plant Science, V. 14. Article 1153731 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3389/fpls.2023.1153731

3. Абашева К.Р., Попова А.Ю., Сухова Е.М., Золин Ю.А., Гребнева К.В., Сухов В.С., Юдина Л.М. Влияние комбинированного локального действия освещения и повышенной температуры на генерацию электрических сигналов и изменение физиологических показателей яровой пшеницы Биосистемы: организация, поведение, управление: Тезисы докладов 76-й Всероссийской школы-конференции молодых ученых (Н. Новгород, 11–14 апреля 2023 г.). Н. Новгород, Университет Лобачевского., С. 4. (год публикации - 2023)

4. Попова А.Ю., Юдина Л.М., Золин Ю.А., Сухова Е.М., Гребнева К.В., Абашева К.Р., Сухов В.С. Локальное действие комбинации нагрева и освещения вызывает распространение гиперполяризационных электрических сигналов и влияет на физиологические процессы у пшеницы Сборник научных трудов VII Съезда биофизиков России: в 2 томах, том 2 – Краснодар: Типография ФГБОУ ВО «КубГТУ»., С. 59-60. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.26297/SbR6.2023.001

5. Юдина Л.М., Попова А.Ю., Золин Ю.А., Сухова Е.М., Сухов В.С. Особенности изменений фотосинтетических параметров при комбинированном локальном действии стрессоров у пшеницы Годичное собрание Общества физиологов растений России. Нижний Новгород: Тезисы докл. Нижегородский госуниверситет им. Н.И.Лобачевского, С. 139 (год публикации - 2022)

6. Юдина Л.М., Попова А.Ю., Сухова Е.М., Сухов В.С. Анализ изменений фотосинтеза у гороха посевного, вызванных электрическими сигналами в контроле и при почвенной засухе Физиология, биотехнология и биоинформатика растений и микроорганизмов - путь в будущее: 85-летию Р.А. Карначук: материалы Всероссийской конференции, Томск: ООО "Дельтаплан", С. 120-121 (год публикации - 2022)

7. Сухова Е.М., Сухов В.С. Electrical signals in systemic adaptive response of higher plants: Integration through separation Bioelectricity, V.5 (3). P. 126-131 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1089/bioe.2022.0042


Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Основной задачей отчетного периода проекта была разработка математической модели, описывающей электрические сигналы, формирование фотосинтетических ответов и повышение засухоустойчивости растений в условиях локального действия стрессоров. Для ее решения был разработан комплекс связанных математических моделей; при этом результаты модели более низкого уровня служили «входом» для модели более высокого уровня. Прежде всего, разработанный комплекс моделей включал в себя модифицированную модель генерации и распространения электрических сигналов, которая состояла из описания гидравлической волны, которое было разработано на предыдущем этапе проекта, и описания генерации электрического ответа. Последнее опиралось на модель ионных потоков через плазматическую мембрану (модель 1) или через плазматическую мембрану и тонопласт (модель 2). В оба варианта модели было включено описание механочувствительных кальциевых каналов и регуляции inwardly-rectifying калиевых каналов ионами кальция. Было показано, что результаты анализа с использованием обоих вариантов модели хорошо соответствуют экспериментальным данным и, в частности, обеспечивают защелачивание апопласта и закисление цитоплазмы во время распространения сигналов. Такой результат подтверждает корректность разработанной модели и возможность использования обоих вариантов описания ионного транспорта. В дальнейшем анализе была использована модель 1, являющаяся более простой. Модель распространения электрического сигнала была использованы в качестве «входа» для модели фотосинтетических процессов, которая была разработана в ходе выполнения текущего этапа проекта. Модель опиралась на классическую модель Farquhar–von Caemmerer–Berry и описание потоков СО2 на основе эквивалентной электрической схемы. В модель была также включено аналитическое описание нефотохимического тушения флуоресценции хлорофилла и квантового выхода фотосистемы II, влияния рН апопласта на проводимость мезофилла для СО2 и влияния рН цитоплазмы на нефотохимическое тушение флуоресценции. Разработанная модель хорошо описывала вызванные электрическими сигналами фотосинтетические ответы, что показало возможность ее использования для дальнейшего анализа. Модель фотосинтетических ответов была использована в качестве «входа» для модели фотоповреждения и продукционного процесса в условиях засухи. Такая модель опиралась на описания прироста биомассы (сухой вес) как баланса между ее продукций в ходе фотосинтеза и утилизацией в ходе дыхания. Повреждение фотосинтетического аппарата светом и снижение такого повреждения вследствие развития нефотохимического тушения также учитывались в модели. Была показано, что модель качественно описывает влияние электрических сигналов на устойчивость к засухе, однако, количественное соответствие требует дополнительного допущения о формировании долговременного снижения фотоповреждения фотосинтетического аппарата при развитии фотосинтетических ответов, индуцированных электрическими сигналами. Разработанная модель была использована для выявления потенциальных процессов-«мишеней», изменение которых может быть использовано для повышения эффективности влияния электрических сигналов с малой амплитудой на фотосинтез и устойчивость сельскохозяйственных растений к засухе. Анализ модели показал, что в качестве таких процессов может выступать снижение проводимости устьиц и снижение активности Н+-АТФазы плазматической мембраны, которые приводят к снижению порога для генерации электрических сигналов, увеличению их амплитуды, увеличению амплитуды изменений рН апопласта и цитоплазмы, стимуляции фотосинтетических ответов и повышению амплитуды возрастания засухоустойчивости. На основании ранее полученных литературных и экспериментальных данных, было предположено, что обработка растений экзогенной абсцизовой кислотой должна оказывать требуемые воздействия на выявленные процессы-«мишени». Экспериментальный анализ показал, что предварительная обработка АБК действительно облегчала распространение электрических сигналов по растению, повышала амплитуду фотосинтетических ответов и значительно усиливала положительное влияние электрических сигналов на засухоустойчивость. Такие результаты показывают, что теоретически выявленный подход (на основе анализа разработанной модели) действительно может быть инструментом для повышения засухоустойчивости пшеницы, путем модификации их электрических сигналов и фотосинтетических ответов. Таким образом, разработанный комплекс математических моделей может быть использован в качестве инструмента для разработки новых подходов повышения устойчивости сельскохозяйственных растений к действию стрессоров.

 

Публикации

1. - Обнаружен новый механизм адаптации растений к неблагоприятным условиям среды Пресс-служба РНФ, - (год публикации - )

2. Попова А.Ю., Золин Ю.А., Сухов В.С., Сухова Е.М., Юдина Л.М. Влияние комбинации локального умеренного нагрева и освещения на показатели водного обмена интактных частей пшеницы, измеренные тепловизионным методом Биофизика, Т.69, №3 (год публикации - 2024)

3. Юдина Л.М., Попова А.Ю., Золин Ю.А., Гребнева К.В., Сухова Е.М., Сухов В.С. Local action of moderate heating and illumination induces electrical signals, suppresses photosynthetic light reactions, and increases drought tolerance in wheat plants Plants, V. 13, Article 1173 (год публикации - 2024) https://doi.org/10.3390/plants13091173

4. Юдина Л.М., Попова А.Ю., Золин Ю.А., Сухова Е.М., Сухов В.С. Local action of increased pressure induces hyperpolarization electrical signals and influences photosynthetic light reactions in wheat plants Plants, V.12(13), Article 2570 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/plants12132570

5. Сухова Е.М., Юдина Л.М., Сухов В.С. Изменения активности Н+-АТРазы плазматической мембраны как связующее звено между формированием электрических сигналов и развитием фотосинтетических ответов у высших растений Биохимия, Т. 88, вып. 10, с. 1800 – 1817 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S0006297923100061

6. Абашева К.Р., Попова А.Ю., Сухова Е.М., Золин Ю.А., Сухов В.С., Юдина Л.М. Анализ способности электрических сигналов влиять на параметры фотосинтеза у яровой пшеницы, выращенной на открытом воздухе в условиях полива и засухи Биосистемы: организация, поведение, управление: Тезисы докладов 77-й Международной школы-конференции молодых ученых (Н. Новгород, 15–19 апреля 2027 г.). Н. Новгород, Университет Лобачевского., С. 5 (год публикации - 2024)

7. Гребнева К.В., Попова А.Ю., Сухова Е.М.,Сухов В.С., Юдина Л.М. Исследование влияния локальной стимуляции светом и нагревом на индексы отражения растений пшеницы при поливе и засухе Биосистемы: организация, поведение, управление: Тезисы докладов 77-й Международной школы-конференции молодых ученых (Н. Новгород, 15–19 апреля 2027 г.). Н. Новгород, Университет Лобачевского., С. 96 (год публикации - 2024)

8. Попова А.Ю., Золин Ю.А., Сухова Е.М., Сухов В.С., Юдина Л.М. Влияние электрических сигналов, вызванных локальным воздействием света и нагрева у пшеницы яровой на фотосинтетические параметры при выращивании в условиях открытого грунта при поливе и засухе X Съезд Российского фотобиологического общества. Конференция «Современные проблемы фотобиологии». Материалы съезда. Пущино: ФИЦ ПНЦБИ РАН, С.83-84 (год публикации - 2023)

9. Попова А.Ю., Золин Ю.А., Сухова Е.М.,Сухов В.С., Юдина Л.М. Анализ физиологических ответов и механизма распространения сигналов, индуцированных локальным комбинированным стимулом у растений пшеницы Биосистемы: организация, поведение, управление: Тезисы докладов 77-й Международной школы-конференции молодых ученых (Н. Новгород, 15–19 апреля 2027 г.). Н. Новгород, Университет Лобачевского., С. 295 (год публикации - 2024)

10. Юдина Л.М., Попова А.Ю., Сухова Е.М., Золин Ю.А., Сухов В.С. Сравнительная оценка физиологических ответов на умеренные локальные стрессоры у растений пшеницы, выращенных в лабораторных и естественных условиях X Съезд Российского фотобиологического общества. Конференция «Современные проблемы фотобиологии». Материалы съезда. Пущино: ФИЦ ПНЦБИ РАН, С. 285-286 (год публикации - 2023)


Возможность практического использования результатов
Результаты проекта могут быть использованы в качестве основы для разработки подходов по сохранению продуктивности сельскохозяйственных растений в условиях почвенной засухи, которые базируются на регуляции способности растения индуцировать электрические сигналы с малыми амплитудами в ответ на локальное действие широко-распространенных в естественных условиях стрессоров (повышенная температура, освещение, их комбинация и другие). Можно выделить следующие ключевые результаты Проекта, которые выступают в качестве такой основы: 1) Показано, что умеренные неповреждающие стрессовые воздействия (в частности, комбинация нагрева и освещения), которые широко встречаются в условиях открытого грунта, вызывают стабильное распространение электрических сигналов с низкой амплитудой у растений (на примере пшеницы), выращенных как в лабораторных, так и в естественных условиях, т.е. показана принципиальная способность электрических сигналов возникать в ответ на умеренные воздействия стрессоров. 2) Распространение таких сигналов влияет на процессы фотосинтеза и транспирации; ответы фотосинтеза усиливаются в условиях умеренной почвенной засухи. При этом известно, что фотосинтез и транспирация являются важнейшими в жизни растения и напрямую влияют на итоговую биомассу, а модификация выявленных ответов может способствовать сохранению продуктивности в неблагоприятных условиях выращивания сельскохозяйственных растений. 3) Показано положительное влияние фотосинтетических ответов, вызванных локальным действием умеренных стрессоров и распространением электрических сигналов с малой амплитудой, на сохранение биомассы растением пшеницы в условиях почвенной засухи. 4) Разработана модель, описывающая развитие электрических сигналов и физиологических ответов при таких типах воздействий и позволяющая выявить потенциальные точки модификации ответа растения для улучшения урожайности при действии общего стресса. На основании модели теоретически показана возможность стимуляция положительного влияния электрических сигналов с малыми амплитудами на устойчивость растений в условиях предварительной обработки АБК. 5) В ходе экспериментальной проверки подтвержден теоретический вывод о том, что предварительное опрыскивание растений АБК усиливает положительное влияние электрических сигналов с малыми амплитудами на фотосинтетические процессы и засухоустойчивость растений пшеницы. В целом, полученные результаты свидетельствуют о том, что в Проекте найден потенциальный путь модификации чувствительности растений к засухе, с помощью снижения порога возникновения электрических реакций, путём предварительного опрыскивания растений в полевых условиях фитогормонами (АБК или, возможно, его аналогами) для поддержания высокой биомассы сельскохозяйственных культур при системно действующих стрессовых факторах, таких как почвенная засуха.