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
| Годы выполнения при поддержке РНФ | 2023 - 2025 |
КонкурсКонкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ)
Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-206 - Физиология и биохимия растений
Ключевые словаБрассиностероиды, синтез брассиностероидов, иммуноферментный анализ, хлоридное засоление, водный дефицит, активность антиоксидантных ферментов, фотосинтез, экспрессия генов.
Код ГРНТИ34.31.31; 34.31.27; 34.31.17
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