КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 23-44-10019

НазваниеСтероидные фитогормоны и их новые производные - природный нанобиотехнологический инструмент для высокопродуктивного экологического земледелия

РуководительЕфимова Марина Васильевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл

КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ)

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение крупной фундаментальной проблемы современной экспериментальной биологии – создание методологии управления жизнеспособностью и продуктивностью растений, использующей нанобиотехнологический принцип воздействия на растение природными биорегуляторами, которые в естественных условиях контролируют на молекулярном уровне все важнейшие процессы функционирования клетки и организма в целом. В качестве объекта будут исследованы стероидные фитогормоны брассиностероиды (СФ), эффект которых предопределяют естественные эволюционно-сформированные пути воздействия на метаболические процессы, клеточный гомеостаз и адаптацию растений к изменяющимся условиям окружающей среды. Планируемая в проекте расшифровка механизма повышения ими продуктивности и устойчивости растений в условиях стресса, а также разработка теоретических основ нанобиотехнологий их применения явится предпосылкой к созданию принципиально новых средств для достижения высокой продуктивности в экологическом земледелии. Так как существующие в настоящее время в мире такого рода технологии отличаются низкой эффективностью, высокой трудозатратностью и, зачастую, оказывают негативное влияние на окружающую среду. Создание подобных технологий нового поколения предполагает изучение физиологических и молекулярных механизмов устойчивости растений к экстремальным факторам природного и техногенного происхождения. Решение данной проблемы имеет принципиальное значение для понимания стратегии выживания растений в экстремальных условиях природного и техногенного происхождения. К наиболее распространённым стрессорам можно отнести снижение доступности воды и высокую концентрацию солей в почве. Актуальность исследования проблемы засоления территорий определяется тем, что в настоящее время 25% всех почв земного шара засолены. Это обстоятельство существенно осложняет экологическую ситуацию в России, в том числе, в связи с интенсивным ростом добычи углеводородного сырья. В настоящее время известно более 70 представителей СФ, ряд которых получен путем химического синтеза. Лучше всего охарактеризованы брассинолид, 24-эпибрассинолид и 28-гомобрассинолид, отличающиеся лактонной структурой цикла В стероидного скелета и представляющие заключительное звено в цепи биосинтеза структур с высокой фитогормональной активностью. В меньшей степени изучены производные 6-кето- ряда (24-эпикастастерона, 28- гомокастастерона и т.д.) - биогенетические предшественники лактонов. Кроме того, в литературе практически отсутствуют сравнительные экспериментальные данные по механизмам биологического действия кетон- и лактонсодержащих стероидных соединений на растения в условиях стресса. Известно, что физиологические эффекты брассиностероидов отличаются высокой вариабельностью и характеризуются видоспецифичностью. По этой причине предполагается проводить исследования не только с разными группами брассиностероидов, но и с разными растениями. В рамках проекта будут использованы важнейшие сельскохозяйственные и технические культуры класса однодольных, таких как ячмень (Hordeum vulgare) и двудольных – рапс (Brassica napus) и/или картофель (Solanum tuberosum), а также мутантные линии модельного растения Arabidopsis thaliana с нарушенным синтезом или рецепцией брассиностероидов. В ходе реализации проекта, который соответствует мировому уровню, предполагается провести всесторонние исследования, направленные на выяснение механизмов ответной реакции растений на стероидные гормоны в отсутствие и в присутствии стрессора по ряду ростовых и биохимических показателей (активность неферментативных и ферментативных антиоксидантных систем, аккумуляция химических шаперонов, показатели функционирования ассимиляционного аппарата растений и т.д.) на примере однодольных (ячмень) и двудольных (рапс, картофель, арабидопсис) растений. Полученные в результате данные по структурно-функциональным взаимосвязям в ряду стероидных фитогормонов, выступающих в качестве природных солепротекторов, составят основу для создания активных ингредиентов агропрепаратов, не имеющих аналогов в мировой науке и практике.

Ожидаемые результаты
Для реализации целей проекта будет осуществлен химический синтез природных брассиностероидов эргостанового и стигмастанового ряда, их изомеров и производных, конъюгатов с кислотами и белками, надмолекулярные композиты стероидных фитогормонов с потенциальными синергистами; получены специфические антисыворотки для иммуноферментного анализа В-кетонов и В-лактонов стероидных гормонов. В химическом синтезе будут применены современные стереохимические подходы, использующиеся при получении соединений с несколькими хиральными центрами (применение хиральных катализаторов, реагентов, защитных группировок и т.п.), и использованы все имеющиеся в арсенале физико-химические методы для доказательства структуры полученных соединений (ЯМР, УФ и ИК спектроскопия, масс-спектрометрия в различных модификациях, РСА и др.). В рамках данного проекта будет впервые выявлена специфика формирования ответной реакции однодольных и двудольных растений на хлоридное засоление и водный дефицит, являющиеся одними из основных антропогенных стрессов. Оценивать устойчивость предполагается по функционированию фотосинтетического аппарата, активности антиоксидантных ферментных систем, водному статусу, ионному гомеостазу клетки и экспрессии ряда стрессрегулируемых генов растений. Для выяснения механизмов защитного действия стероидных гормонов при водном дефиците и хлоридном засолении: (1) исследовать устойчивость родительских и мутантных линий Arabidopsis с нарушенным синтезом и/или сигналингом стероидных гормонов; (2) показать влияние кетон-, лактон-содержащих брассиностероидов. Благодаря комплексному методическому подходу впервые будет оценено влияние исследуемых соединений на физиологическое состояние растений выращенных в оптимальных условиях и при абиотическом стрессе по функционированию фотосинтетического аппарата, активности антиоксидантных ферментных систем, аккумуляции химических шаперонов (на примере пролина), водному статусу, ионному гомеостазу клетки и экспрессии ряда стрессрегулируемых генов. Будет установлена зависимость уровня физиологического эффекта исследуемых соединений от их концентрации и продолжительности воздействия в норме и при стрессе. Полученные в результате данные позволят предложить эффективную методику гормональной обработки для оптимизации выращивания растений и получения высокого урожая не только в оптимальных условиях, но и на фоне хлоридного засоления и засухи. Предполагается оценить способность лактон-, кетонсодержащих брассиностероидов восстанавливать фенотип растений Arabidopsis с нарушенным биосинтезом стероидных гормонов до исходной родительской линии. Это позволит расширить наши представления о спектре биологической активности брассиностероидов и впервые оценить уровень хемо-селективности распознавания гормонов этого ряда рецептором BRI1-BAK. Авторский коллектив, абсолютным приоритетом которого является синтез и изучение брассиностероидов, может стать мировым лидером в анализе механизмов коррекции стресс-устойчивости растений соединениями стероидной природы. Полученные по структурно-функциональным взаимосвязям в ряду стероидных фитогормонов, выступающих в качестве стресспротекторов, могут составить основу для создания активных ингредиентов экологически безопасных агропрепаратов, не имеющих аналогов в мировой науке и практике. Предполагается, что результаты, полученные при выполнении проекта, будут представлены на Всероссийских и Международных научных выставках и форумах и опубликованы не менее чем в 10 статьях в журналах, индексируемых в Web of Science или Scopus. Предполагаемые научные издания - Environmental Science and Pollution Research (IF JCR=5.0), Photosynthesis Research (IF JCR =5.2), Plant Growth Regulation (IF JCR =4.7), Steroids (IF JCR = 3.3), Физиология растений (IF JCR =1.8), Доклады академии наук (IF JCR =0.9). Результаты исследования можно будет использовать в учебном процессе при чтении курсов «Физиология растений», «Сигнальные системы высших растений», «Физиологические основы устойчивости к факторам среды», «Экологическая физиология растений», «Физиологические и молекулярные механизмы адаптации растений». Принимая во внимание тот факт, что стероидные гормоны растений, как показывают исследования последних лет, играют важную роль не только в растительном царстве, но и обладают множественными эффектами за его пределами, необходимо признать, что рассматриваемая в данном проекте проблема представляет общебиологический интерес, и, можно ожидать, что полученные в процессе его реализации результаты будут иметь большое значение для расширения базы фундаментальных знаний о роли стероидных гормонов, их участии в обеспечении устойчивости растений, а также для решения важных биотехнологических задач.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ