Стресс и автофагия у растений: регуляторная роль цитоплазматического калия и активных форм кислорода.

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 проекта 15-14-30008

НазваниеСтресс и автофагия у растений: регуляторная роль цитоплазматического калия и активных форм кислорода.

Руководитель Демидчик Вадим Викторович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №9 - Конкурс 2015 года на получение грантов по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований с представлением результатов в рамках международной конференции (конгресса)»

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

Ключевые слова автофагия, стресс, активные формы кислорода, цитоплазматический калий

Код ГРНТИ34.31.00 34.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
С середины 80-х годов прошлого столетия в биологии растений активно развиваются представления о контроле и координации физиологических реакций при стрессе посредством цитоплазматического Са2+ и активных форм кислорода (АФК). Разработка этой проблемы привела к пониманию ключевых реакций организма растения на стресс, заложенные в ходе эволюции. Помимо роста активности Са2+ и генерации АФК к ранним стрессовым ответам относится выход из клеток К+, открытый исследователями раньше изменений Са2+ и АФК, но изученный в дальнейшем несопоставимо слабее. Гипотетически, выход К+ может являться важным элементом контроля стрессовых реакций и процессов развития, сопоставимого по значимости с Са2+ и АФК. Исследования руководителя проекта показали, что при засолении, оксидативном стрессе и имитации атаки патогенных организмов наблюдается быстрый выход К+ из клеток корня и листа в результате АФК-зависимой активации наружу-выпрямляющих К+-каналов и неселективных катионных каналов. Идентифицирован генетически и охарактеризован при помощи техники пэтч-кламп К+-канал, участвующий в выходе К+ - GORK. Продемонстрировано, что АФК-зависимая потеря К+ при стрессе приводит к стимуляции протеаз и эндонуклеаз и запуску реакций запрограммированной клеточной гибели (ЗКГ). Механизм взаимодействия АФК и К+-каналов у растений был выяснен в последние годы для канала SKOR, ближайшего по структуре к GORK. В его основе лежит окисление определенной группы цистеина, повышающее вероятность нахождения канала в открытом состоянии. В предварительных опытах для данного проекта в канале GORK выявлена схожая группа (С151). В результате многолетнего исследования роли К+ при стрессе автором проекта развита гипотеза, согласно которой в клетке высших растений К+ играет роль «переключателя» метаболизма в зависимости от его уровня в цитоплазме. Предполагается, что стресс-индуцированный выход К+ может являться триггером остановки роста, ингибирования биосинтезов и активации катаболизма, а в длительной перспективе при сильном стрессе – запуска ЗКГ. При «умеренном» стрессе выход К+ способствует высвобождению энергии для репарационных нужд вследствие переориентации метаболизма с анаболических процессов на катаболические. Важным шагом в дальнейшем развитии данной гипотезы является тестирование потенциальной стимуляции автофагии при выходе К+. В клетках животных автофагия может предшествовать К+-зависимой ЗКГ. Является ли автофагия К+-зависимым процессом у растений, до сих пор не известно. Автофагия - древний катаболический путь деградации компонентов клетки в кислых литических компартментах. В растительных клетках автофагия индуцируется в ответ на углеродное и/или азотное голодание, а также при старении и различных видах стрессов, включая оксидативный, солевой и осмотический. Автофагия вероятно может выступать как цитопротекторным механизмом, способствующим выживанию клетки в неблагоприятных условиях, так и способствовать переходу клетки к ЗКГ. Тем не менее, ее роль в стресс-индуцированной ЗКГ остается практически неизученной. Потенциально, она также может иметь значение для выживания клеток при умеренном стрессе, находясь под контролем К+, АФК и цитоплазматического Са2+. При развитии К+-зависимых процессов особое значение могут иметь некоторые природные регуляторы стрессовых реакций, способные модифицировать работу К+-проницаемых катионных каналов, включая АФК, полиамины, внеклеточный Са2+, экзогенные пурины, аминокислоты (глутамат, глицин) и брассиностероиды. Предаставляется целесообразным выяснение роли данных регуляторов в контроле К+-зависимых автофагии, ЗКГ и других процессов. Целью настоящего проекта является установление молекулярных и клеточных основ стресс-индуцируемого выхода К+ из клеток при стрессе и анализе его способности индуцировать базовую программу катаболизма – автофагию. Для достижения поставленной цели буду решаться следующие задачи: 1. Установить механизм регуляции выхода К+ при стрессе. Будут измерены параметры выхода трейсера К+ (86Rb+) из предварительно загруженных им корней арабидопсиса дикого типа, мутантов-нокаутов, утрачивающих К+-канал GORK (gork-1), а также комплементарных линий gork-1, экспрессирующих либо нативные GORK, либо мутированные по регуляторному остатку цистеина (ответственному за активацию под действием АФК). Стресс-индуцированные потоки К+ будут протестированы при помощи флуоресцентных зондов и конфокальной микроскопии у клеток гетеротрофной суспензионной культуры табака BY-2 с трехкратным увеличением пероксисомного пула и активной каталазы. 2. Выявить роль К+-зависимых реакций в индукции автофагии и ЗКГ при голодании и оксидативном стрессе. Будет проведено сравнение реакций в корнях и листьях, поскольку эти органы фундаментально отличаются по способу питания (гетеро- vs. автотрофия) и по содержанию наружу-выпрямляющих К+-каналов. Будет проанализирована зависимость развития автофагии при оксидативном стрессе в корнях дикого типа и gork-1 линий от уровня К+ в среде. У этих линий будут изучены индукция автофагии при углеводном и калиевом голодании и влияние уровня цитоплазматического К+ на индуктор анаболизма и негативный регулятор автофагии – киназный комплекс TORС. В корнях мутантов-нокаутов atg1, неспособных к индукции автофагии, будет исследована способность выхода К+ индуцировать ЗКГ. В листьях будет исследована возможность GORK-независимой индукции автофагии при развитии ЗГК у мутантов ячменя и арабидопсис chlorina с высоким уровнем продукции 1О2 на свету (окислительный стресс), а также при длительном выдерживании растений в темноте (углеводное голодание). Будет проанализирован эффект важнейших природных регуляторов активности К+-каналов на АФК/К+-зависимые автофагию и ЗКГ. Успешному выполнению предлагаемых работ будут способствовать значительные предварительные методические и теоретические наработки российской, британской и белорусской научных школ, объединяемых в рамках настоящего проекта. Полученные результаты планируется представить в рамках ежегодного престижного международного симпозиума «Сигнализация и поведение растений» (International Symposium on Plant Signaling and Behavior), который при условии поддержки заявленного проекта сможет быть проведен в 2016 году на базе организации – исполнителя проекта. Результаты работы будут носить фундаментальный характер, раскрывая центральные механизмы регуляции клеточной активности при стрессе. Тем не менее, они будут иметь и прямой практический выход, давая ключ к созданию и селекции устойчивых к стрессу сортов растений. Реализация проекта позволит вывести на новый уровень исследования сигнальных систем растений в российской научной организации-заявителе проекта и будет способствовать росту эффективности российской фундаментальной науки и ее международного престижа.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Демидчик В., Шабала С,, Исаенков С., Потоссин И. Calcium transport across plant membranes: a mechanistic basis and roles in the plant physiology New Phytologist (год публикации - 2018)

2. Чичко А., Мацкевич В., Войцеховская О.В., Демидчик В. Polyamines induce programmed cell death in Arabidopsis thaliana roots Proceedings of Fourth International Symposium on Plant Signaling and Behavior / Saint Petersburg: SINEL Co.Ltd., 2016.-208 p., C. 110 (год публикации - 2016)

3. Мацкевич В.С., Свистуненко Д.А., Чичко А.А., Войцеховская О.В., Тютерева Е.В., Соколик А.И., Демидчик В.В. Роль взаимодействия никеля с гистидином в первичном ответе корня высших растений на «никелевый стресс» Материалы II Международного симпозиума «Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений», Уфа, 26 июня – 1 июля 2017 г. (год публикации - 2017)

4. Рабаданова К.К., Тютерева Е.В., Добрякова К.С., Демидчик В.В., Войцеховская О.В. Участие калия в регуляции автофагии у Arabidopsis thaliana в норме и при солевом стрессе Материалы II Международного симпозиума «Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений», Уфа, 26 июня – 1 июля 2017 г., Уфа, "Первая типография", С. 390-394 (год публикации - 2017)

5. Мацкевич В., Чичко А., Войцеховская О.В., Тютерева Е.В., Самохина В., Соколик А., Демидчик В. Measurements of NaCl-, heavy metal- and hydroxyl radical-induced programmed cell death in Arabidopsis thaliana roots Proceedings of Fourth International Symposium on Plant Signaling and Behavior / Saint Petersburg: SINEL Co.Ltd., 2016.-208 p., С. 112 (год публикации - 2016)

6. Демидчик В. ROS-activated ion channels in plants: biophysical characteristics, physiological functions and molecular nature International Journal of Molecular Sciences (год публикации - 2018)

7. Тютерева Е.В., Добрякова К., Шиермейер А., Шишова М.Ф., Павловски К., Демидчик В., Ройманн З., Войцеховская О.В. The levels of peroxisomal catalase protein and activity modulate the onset of cell death in tobacco BY-2 cells via ROS levels and autophagy Functional Plant Biology, Published online: 17 May 2017 (год публикации - 2017)
10.1071/FP16418

8. Демидчик В.В., Войцеховская О.В. Механизмы АФК-зависимой регуляции транспортных и сигнальных процессов на плазматической мембране растительной клетки Сборник материалов. Годичное собрание общества физиологов растений России. Сигнальные системы растений: от рецептора до ответной реакции организма. 21–24 июня 2016, С.-Петербург, Россия (год публикации - 2016)

9. Рабаданова К.К., Тютерева Е.В., Мацкевич В.С., Демидчик В.В., Войцеховская О.В. Клеточные и молекулярные механизмы контроля автофагии: потенциал для повышения стрессоустойчивости и продуктивности культурных растений Сельскохозяйственная биология (год публикации - 2018)

10. Демидчик В.В., Тютерева Е.В., Войцеховская О.В. The role of ion disequilibrium in induction of root cell death and autophagy by environmental stresses Functional Plant Biology (год публикации - 2016)

11. Макавицкая М., Свистуненко Д., Новосельский И., Гриусевич П., Мацкевич В., Рабаданова К., Тютерева Е., Самохина В., Стрельцова Д., Соколик А., Войцеховская О., Демидчик В. L-ascorbic acid induces elevation of cytosolic free calcium and leaks from plant cells through anion channels under stress conditions Journal of experimental botany (год публикации - 2018)

12. Демидчик В.В., Маатуис Ф., Войцеховская О.В. Unravelling the plant signalling machinery: an update on the cellular and genetic basis of plant signal transduction Functional Plant Biology, Published online: 10 July 2017 (год публикации - 2017)
10.1071/FP17085

13. Демидчик В. Molecular mechanism and physiological functions of stress-induced potassium leakage from plant roots Abstracts, Plant Biology Europe EPSO/FESPB 2016 Congress | Prague, Czech Republic, June 26–30, 2016 (год публикации - 2016)

14. Сосан А.,Свистуненко Д.,Стрельцова Д.,Тсиуркина К., Смолич И., Лаусон Т., Субраманиам С., Головко В., Андерсон Д., Соколик А., Колбек И., Демидчик В. Engineered silver nanoparticles are sensed at the plasma membrane and dramatically modify the physiology of Arabidopsis thaliana plants The Plant Journal, Т. 85, №2, С. 245–257 (год публикации - 2016)
10.1111/tpj.13105

15. Медведев С., Воронина О., Танкелюн О., Билова Т., Шарова Е., Суслов Д., Мацкевич В., Макавицкая М., Мартинек Я., Смоликова Г., Демидчик В. Phosphatidic acid mediates transport of Ca2+ and H+ in plant cell membranes the International Journal of Molecular Sciences (год публикации - 2018)

16. Тютерева Е.В., Рабаданова К.К., Иванова А.Н., Добрякова К.С., Демидчик В.В., Войцеховская О.В. Регуляция автофагии у растений при стрессовых воздействиях Материалы II Международного симпозиума «Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений», Уфа, 26 июня – 1 июля 2017 г., Уфа, "Первая типография", 248-251 (год публикации - 2017)

17. Макавицкая М., Самохина В., Мацкевич В., Павличенко В., Милевич Т., Тютерева Е.В., Войцеховская О.В., Соколик А., Демидчик В. Effect of gamma radiation on root growth in Arabidopsis thaliana plants from Chernobyl zone and plants lacking key ion transport and signaling systems Proceedings of Fourth International Symposium on Plant Signaling and Behavior / Saint Petersburg: SINEL Co.Ltd., 2016.-208 p., C. 175-176 (год публикации - 2016)

18. Демидчик В. Reactive oxygen species and their role in plant oxidative stress © CAB International 2017. Plant Stress Physiology, 2nd Edn (ed. S. Shabala) (год публикации - 2017)

19. Новосельский И.Ю., Чикун П.В., Стрельцова Д.Е., Самохина В.В., Мацкевич В.С., Добрякова К.С., Тютерева Е.В., Малышева А.М., Соколик А.И., Войцеховская О.В., Демидчик В.В. Модификация АФК-сенсора в K+-канале GORK подавляет активацию наружу-направленной К+-проводимости под действием гидроксил-генерирующих смесей Материалы II Международного симпозиума «Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений», Уфа, 26 июня – 1 июля 2017 г. (год публикации - 2017)

20. Демидчик В.В., Шабала С. Mechanisms of cytosolic calcium elevation in plant cells: the role of plasma membrane ion channels, calcium extrusion systems and NADPH oxidase-mediated ‘ROS-Ca2+ Hub’ Functional Plant Biology (год публикации - 2016)

21. Тютерева Е.В., Ширмейер А., Рабаданова К.К., Добрякова К.С., Демидчик В.В., Ройманн С., Войцеховская О.В. Autophagic degradation of plant organelles Proceedings of Fourth International Symposium on Plant Signaling and Behavior / Saint Petersburg: SINEL Co.Ltd., 2016.-208 p., С. 115 (год публикации - 2016)

22. Демидчик В., Сосан А., Свистуненко Д., Пржевальская Д., Лесчанка Ю., Стрельцова Д., Смолич И., Лоусон Т., Субраманиам С., Головко В., Андерсон Д., Колбек И., Соколик А. Nanoparticles induce signalling reactions and affect physiological processes in Arabidopsis thaliana plants Proceedings of Fourth International Symposium on Plant Signaling and Behavior / Saint Petersburg: SINEL Co.Ltd., 2016.-208 p., C. 121 (год публикации - 2016)

23. Самохина В.В., Мацкевич В.С., Добрякова К.С., Тютерева Е.В., Малышева А.М., Соколик А.И., Войцеховская О.В., Демидчик В.В. Замена аминокислоты цистеин-151 в к+-канале GORK подавляет выход K+ при окислительном стрессе и снижает чувствительность растений Arabidopsis thaliana к H2O2 Материалы II Международного симпозиума «Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений», Уфа, 26 июня – 1 июля 2017 г., Уфа, "Первая типография", С. (год публикации - 2017)

24. Мацкевич В.С., Самохина В.В., Чичко А.А., Звонарев С.Н., Кирисюк Ю.В., Соколик А.И., Тютерева Е.В., Войцеховская О.В., Демидчик В.В. Роль калиевых каналов и НАДФН-оксидаз в регуляции стресс-индуцируемой запрограммированной клеточной гибели в корне высших растений Сборник материалов. Годичное собрание общества физиологов растений России. Сигнальные системы растений: от рецептора до ответной реакции организма. 21–24 июня 2016, С.-Петербург, Россия (год публикации - 2016)

25. Демидчик В. Cation channels are sensors of ROS and oxidative stress in plants Proceedings of Fourth International Symposium on Plant Signaling and Behavior / Saint Petersburg: SINEL Co.Ltd., 2016.-208 p. (год публикации - 2016)

26. Тютерева Е.В., Рабаданова К.К., Демидчик В.В., Войцеховская О.В. Индукция автофагии в клетках мезофилла мутантов сhlorina с нестабильной фотосинтетической антенной Электронное издание сборника материалов. Годичное собрание общества физиологов растений России. Сигнальные системы растений: от рецептора до ответной реакции организма., C. 107-108 (год публикации - 2016)

27. Самохина В., Мацкевич В., Добрякова К., Войцеховская О.В., Тютерева Е.В., Демидчик В. Stress-induced Rb+ efflux from roots of Arabidopsis thaliana plants lacking functional K+ outwardly-rectifying channel GORK Proceedings of Fourth International Symposium on Plant Signaling and Behavior / Saint Petersburg: SINEL Co.Ltd., 2016.-208 p., С. 61 (год публикации - 2016)

28. Демидчик В.В., Кирисюк Ю.В., Сосан А., Колбек И., Лоусон Т., Свистуненко Д., Стрельцова Д.Е., Смолич И.И., Войцеховская О.В., Соколик А.И. Металл-содержащие наночастицы подавляют рост и активируют сигнальные процессы у высших растений Сборник материалов. Годичное собрание общества физиологов растений России. Сигнальные системы растений: от рецептора до ответной реакции организма. 21–24 июня 2016, С.-Петербург, Россия (год публикации - 2016)

Публикации