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 23-24-00379

НазваниеОпосредованная целлюлозой регуляция растяжимости клеточных стенок Arabidopsis thaliana

РуководительСуслов Дмитрий Владимирович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет", г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

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

Ключевые словарастения, рост клетки растяжением, кислый рост, гравитропизм, клеточная стенка, целлюлоза, биомеханика, крип, арабидопсис, гипокотиль

Код ГРНТИ34.31.27

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Растения обладают уникальным механизмом роста – ростом растяжением, при котором увеличение объема клеток достигается преимущественно за счет накопления в них воды. Данный процесс является одним из важнейших факторов, определяющих продуктивность растений, в том числе сельскохозяйственных культур. Главным биофизическим фактором, лимитирующим скорость роста растительных клеток, является растяжимость клеточных стенок. Она зависит как от состава полимеров клеточной стенки, так и от многочисленных ферментативных и неферментативных белков, которые непрерывно формируют и разрушают ковалентные и нековалентные связи между структурными компонентами стенок. Регуляция растяжимости клеточных стенок является одной из центральных нерешенных проблем физиологии роста растений, главным образом, из-за того, что нам не известна точная архитектура первичных стенок. В настоящем проекте будет исследовано участие целлюлозы в регуляции растяжимости первичных клеточных стенок растений с использованием гипокотилей арабидопсиса в качестве экспериментального объекта. Оценка растяжимости будет осуществляться методом крипа, при котором измеряется зависимая от времени деформация клеточных стенок (крип) под влиянием постоянной нагрузки. Целлюлоза является самым прочным компонентом клеточных стенок и самым распространенным биополимером в живой природе. В последнее десятилетие был достигнут огромный прогресс в понимании ее биосинтеза и было получено множество новых мутантов по синтезу целлюлозы, исследование биомеханики которых позволит установить совершенно новые аспекты участия целлюлозы в определении растяжимости клеточных стенок и регуляции роста растений. Роль целлюлозы в регуляции растяжимости клеточных стенок будет изучена на примере «кислого роста», происходящего за счет снижения рН в апопласте, которое активирует белки экспансины, размягчающие клеточные стенки, и на примере гравитропизма – ростового изгиба, который формируется после изменения ориентации органа растения относительно вектора силы тяжести. Проект подразумевает решение следующих задач: 1) Совершенствование анализа механики клеточных стенок методом крипа для более точной оценки растяжимости клеточных стенок, включающее определение площади поперечного сечения исследуемых образцов с использованием по меньшей мере двух независимых способов; 2) Оценка влияния содержания, ориентации и уровня кристалличности целлюлозы на растяжимость клеточных стенок гипокотилей арабидопсиса в ходе «кислого роста» с использованием специфических мутантов и ингибиторов; 3) Изучение влияния содержания, ориентации и уровня кристалличности целлюлозы на гравитропизм гипокотилей арабидопсиса и растяжимость клеточных стенок в ходе формирования гравитропического изгиба с использованием специфических мутантов и ингибиторов. В рамках выполнения проекта впервые будет исследовано влияние трех разных аспектов организации целлюлозы – ее ориентации, степени кристалличности и содержания – на растяжимость растущих клеточных стенок Arabidopsis thaliana - основного модельного организма в современной биологии растений. Правильная интерпретация полученных данных по растяжимости будет достигнута за счет поправки на площадь поперечного сечения клеточных стенок, которая будет впервые определена с использованием двух независимых методов анализа. Успешное решение описанных выше задач приведет к созданию универсального алгоритма для оценки участия целлюлозы в регуляции растяжимости клеточных стенок во время разных ростовых реакций растения. Полученные данные могут быть использованы для селекции сельскохозяйственных культур с повышенной скоростью роста и продуктивностью, а также для создания технических культур, обеспечивающих более высокий выход биотоплива. Достижимость решения поставленных задач и возможность получения предполагаемых результатов обеспечивается высокой квалификацией и большим опытом работы заявителей проекта в области биомеханики клеточных стенок и электронной микроскопии.

Ожидаемые результаты
Решение поставленных в проекте задач обеспечит получение следующих результатов: 1) Будет усовершенствован способ оценки растяжимости клеточных стенок методом крипа за счет более точного определения площади поперечного сечения исследуемых образцов с использованием двух независимых подходов. Усовершенствованный способ позволит осуществлять адекватное сравнение растяжимости клеточных стенок под влиянием обработок или мутаций, которые влияют на анизотропию роста растительных клеток и изменяют толщину органов растения. 2) Впервые с использованием специфических мутантов и ингибиторов будет установлено влияние трех аспектов организации целлюлозы: ориентации, степени кристалличности и содержания на растяжимость клеточных стенок гипокотилей арабидопсиса в ходе «кислого роста», который представляет собой ранний этап ауксинзависимого роста. 3) С использованием специфических мутантов и ингибиторов будет изучено влияния содержания, ориентации и уровня кристалличности целлюлозы на гравитропизм гипокотилей арабидопсиса и изменения растяжимости клеточных стенок в ходе формирования гравитропического изгиба. Успешное решение описанных выше задач приведет к созданию универсального алгоритма для оценки участия целлюлозы в регуляции растяжимости клеточных стенок во время разных ростовых реакций растения. Полученные данные могут быть использованы для селекции сельскохозяйственных культур с повышенной скоростью роста и продуктивностью, а также для создания технических культур, обеспечивающих более высокий выход биотоплива.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Кислый рост является одним из ранних процессов в ходе индуцированного ауксином растяжения органов растений. Он связан с подкислением апопласта Н+-АТФазами плазмалеммы, что активирует в клеточной стенке белки экспансины, увеличивающие ее растяжимость за счет разрушения водородных связей между структурными полимерами стенки. В недавнем исследовании было показано, что нарушение организации целлюлозы в клеточных стенках под влиянием ингибиторов и мутаций полностью устраняет кислый рост гипокотилей арабидопсиса. По ряду причин эти данные показались нам сомнительными, и мы проверили их справедливость, исследуя кислый крип (т.е. необратимое, зависимое от времени растяжение in vitro) клеточных стенок под влиянием обработок (фитогормон эпибрассинолид, ингибитор микротрубочек оризалин) и мутаций (роm), которые нарушают нормальную ориентацию микрофибрилл целлюлозы в клеточных стенках гипокотилей арабидопсиса. Также исследовали влияние на кислый крип мутации irx1-1, которая снижает кристалличность микрофибрилл целлюлозы. Обнаружили, что ни один из рассматриваемых факторов не устранял полностью индуцированное кислым буфером растяжение клеточных стенок. Некоторое снижение кислого крипа наблюдали под влиянием оризалина и эпибрассинолида, тогда как мутации роm и irx1-1 наоборот усиливали его. Обнаруженные разночтения между нашими и литературными данными могут быть обусловлены тем, что влияние белков экспансинов на растяжение клеточных стенок в значительной степени зависит от величины генерируемого в них механического напряжения (=сила, поделенная на площадь поперечного сечения клеточной стенки перпендикулярно вектору действующей силы). Таким образом, для точной оценки механического напряжения в клеточной стенке и правильной интерпретации экспериментальных результатов нужно уметь определять площадь поперечного сечения клеточных стенок. Измерение этого показателя при помощи двух независимых методов: на основе взвешивания высушенных отрезков клеточных стенок или анализа срезов при помощи просвечивающей электронной микроскопии (ТЭМ) показало, что оба метода позволяют выявлять относительные различия между сравниваемыми образцами, но дают абсолютные значения площади поперечного сечения клеточных стенок, которые могут отличаться друг от друга в несколько раз. В некоторых случаях это серьезно влияет на интерпретацию экспериментальных данных.

 

Публикации

1. Суслов Д.В., Пожванов Г.А., Липчинский А.А. Mannans and shoot gravitropism in Arabidopsis thaliana Plant Genetics, Genomics, Bioinformatics, and Biotechnology (PlantGen2023): abstracts / Eds. A.A. Kalachev., T.A. Gorhkova, M.L. Ponomareva; FIC KazSC RAS // Kazan: FEN, 2023. – 472 p., p 396 (год публикации - 2023)

2. Суслов Д.В., Пожванов Г.А., Липчинский А.А. МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ САХАРОЗЫ НА ГРАВИТРОПИЗМ ПОБЕГОВ ARABIDOPSIS THALIANA X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов. – Электрон. текст. данные (1 файл: 4,33 Мб). – Уфа: УИБ УФИЦ РАН, 2023. – 422 с., стр. 343 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31163/978-5-6047532-1-7