Две стратегии накопления металлов у растений: причины и следствия

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 21-14-00028

НазваниеДве стратегии накопления металлов у растений: причины и следствия

Руководитель Серегин Илья Владимирович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физиологии растений им. К.А. Тимирязева Российской академии наук , г Москва

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Arabidopsis halleri, Arabidopsis lyrata, Arabidopsis thaliana, Microthlaspi perfoliatum, Noccaea caerulescens, цинк, никель, транспорт и распределение металлов, гистохимия, гипераккумуляция и устойчивость к металлам, деление и растяжение клеток, рост и развитие растений, жирные кислоты, мембраны, клеточный цикл

Код ГРНТИ34.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Минеральное питание растений является важной составляющей, определяющей их продуктивность. C одной стороны, дефицит питательных элементов является лимитирующим фактором, снижающим продуктивность сельскохозяйственных культур и широко распространенной причиной, вызывающей заболевания человека и детскую смертность. С другой стороны, загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами в результате хозяйственной деятельности человека является серьезной проблемой во всем мире, так как именно тяжелые металлы являются одними из самых распространенных токсикантов. Проект направлен на решение фундаментальной проблемы современной физиологии растений и биологии развития –– выяснение специфики механизмов транспорта, детоксикации и ростингибирующего действия металлов у растений, контрастно различающихся по устойчивости к металлам и способности к их накоплению в корнях и побегах. Повышение содержания металлов в растениях выше оптимальных значений может привести к проявлению множественного токсического действия металлов на различные физиологические процессы, что в конечном итоге приведет к нарушению роста и морфогенеза растений [обзоры Серегин, Иванов, 2001; Серегин, Кожевникова, 2006]. Нарушение роста и морфогенеза – один из важнейших видимых симптомов воздействия различных стресс-факторов, который часто используется для оценки их фитотоксичности. Изучение металл-индуцированных изменений роста и морфогенеза растений позволяет в полной мере оценить связь между особенностями распределения металлов и механизмом их токсического действия. До настоящего времени остаются недостаточно изученными механизмы трансмембранного, радиального и дальнего транспорта металлов, а также механизмы их ростингибирующего действия. Принципиально новым подходом для решения поставленной проблемы является комплексное сравнительное изучение поглощения, транспорта, накопления и распределения металлов в растениях, а также влияния металлов на ростовые процессы у растений двух контрастных групп: исключателей, накапливающих металлы в корнях и гипераккумуляторов, накапливающих металлы в побегах. Поэтому основной задачей данного проекта является выяснение физиологических механизмов, определяющих избирательное накопление никеля (Ni) и цинка (Zn) в корнях исключателей (Arabidopsis thaliana, Arabidopsis lyrata, Microthlaspi perfoliatum) или побегах гипераккумуляторов (Arabidopsis halleri, Noccaea caerulescens), а также сравнительный клеточный анализ действия этих металлов на рост. A. thaliana широко используется для изучения роста и морфогенеза растений [Dello Ioio et al., 2007; Petricka et al., 2012], а A. halleri и N. caerulescens являются модельными растениями для изучения феномена гипераккумуляции и обладают высокой устойчивостью к Zn и Zn/Ni, соответственно [Sterckeman et al., 2017; Seregin, Kozhevnikova, 2020; Kozhevnikova et al., 2020]. В ходе выполнения проекта предполагается комплексное решение поставленной задачи, включающее детальное изучение транспорта и распределения металлов по тканям и органам растений, а также изучение механизмов ростингибирующего действия металлов на клеточном уровне. С этой целью будут использованы разнообразные методы и подходы, которыми на экспертном уровне владеют члены научного коллектива. К ним относятся: гистохимические методы анализа распределения металлов по тканям и органам растений; световая и флуоресцентная микроскопия; атомно-абсорбционная спектрофотометрия; методы выделения везикулярных препаратов тонопласта и плазмалеммы для оценки эффективности транспорта металлов через биологические мембраны, а также изменений жирнокислотного состава липидного бислоя мембран; газовая хроматография с масс-стектрометрической детекцией для идентификации жирных кислот; биохимические методы для определения интенсивности перекисного окисления липидов; иммуноцитохимические методы с применением антител к транспортерам и флуоресцентных меток к ним; методики оценки общего количества поглощенного металла и эффективности его загрузки в сосуды ксилемы; комплекс цитологических методов и подходов, направленных на анализ роста корней на клеточном уровне. Реализация проекта впервые позволит: 1) выяснить общие черты и специфические особенности в распределении и накопления Ni и Zn в различных клетках, тканях, органах, растущих участках корней и побегов, листьях разного возраста изучаемых гипераккумуляторов и исключателей; 2) изучить влияние Ni и Zn на водный режим у растений двух контрастных групп; 3) оценить эффективность транспорта металлов через плазмалемму и тонопласт; 4) провести сравнительный анализ влияния Ni и Zn на качественный и количественный состав жирных кислот липидов мембран у гипераккумуляторов и исключателей; 5) установить тканевую локализацию транспортера MTP1, играющего ключевую роль в детоксикации металлов в вакуоли; 6) оценить роль гистидина в радиальном транспорте Ni и Zn у A. halleri и A. lyrata; 7) расширить представления о роли антоцианов в накоплении Zn у гипераккумуляторов и исключателей; 8) выяснить, специфично или неспецифично действие Ni и Zn на отдельные ростовые процессы (деление и растяжение клеток, переход клеток к растяжению и др.); 9) количественно оценить изменение ростовых процессов в корнях гипераккумуляторов и исключателей, интенсивность поглощения металлов, а также изменение пространственной конфигурации корневой системы при действии Ni и Zn. Изучение морфофизиологических особенностей растений, определяющих их способность избирательно накапливать металлы в корнях или побегах имеет не только большое фундаментальное значение, связанное с пониманием механизмов трансмембранного, радиального и дальнего транспорта металлов у растений, механизмов гипераккумуляции, устойчивости и ростингибирующего действия металлов, но и имеет важное практическое значение, так как лежит в основе подходов, использующихся в технологиях биообогащения, фиторемедиации и фитомайнинга. Анализ ростингибирующего действия металлов несомненно важен для разработки технологии мониторинга загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, что входит в число критических технологий Российской Федерации. Решение поставленной в проекте задачи имеет мультидисциплинарное значение и внесет важный вклад в современную экологическую физиологию растений, биологию развития, иономику и токсикологию.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Кожевникова А.Д., Серегин И.В., Схат Х. Translocation of Ni and Zn in Odontarrhena corsica and Noccaea caerulescens: the effects of exogenous histidine and Ni/Zn interactions Plant and Soil, V. 468, Р. 295–318 (год публикации - 2021)
10.1007/s11104-021-05080-y

2. Серегин И.В., Кожевникова А.Д., Схат Х. Correlated Variation of the Zn Accumulation and Tolerance Capacities among Populations and Ecotypes of the Zn Hyperaccumulator, Noccaea caerulescens Russian Journal of Plant Physiology, V. 68, Suppl. 1, P. S26–S36. (год публикации - 2021)
10.1134/S1021443721070128

3. Иванов В.Б., Жуковская Н.В. Effect of Heavy Metals on Root Growth and the Use of Roots as Test Objects Russian Journal of Plant Physiology, V. 68, Suppl. 1, P. S1–S25. (год публикации - 2021)
10.1134/S1021443721070049

4. Дубровский И.Г., Иванов В.Б. The quiescent centre of the root apical meristem: conceptual developments from Clowes to modern times Journal of Experimental Botany, V. 72, № 19, P. 6687–6707 (год публикации - 2021)
10.1093/jxb/erab305

5. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. Схат Х. Histidine-Mediated Nickel and Zinc Translocation in Arabidopsis thaliana and Lepidium ruderale Russian Journal of Plant Physiology, Vol. 69: 13, P. 1-10 (год публикации - 2022)
10.1134/S1021443722010186

6. Серегин И.В., Кожевникова А.Д., Схат Х. Накопление и распределение цинка у исключателей и гипераккумуляторов семейства Brassicaceae Материалы Всероссийской научной конференции с международным участием и школы для молодых ученых "Экспериментальная биология растений и биотехнология: история и взгляд в будущее", C.144 (год публикации - 2021)

7. Серегин И.В., Кожевникова А.Д., Схат Х. Nickel tolerance and accumulation capacities in different populations of the hyperaccumulator Noccaea caerulescens Russian Journal of Plant Physiology, V. 69. №.4: 70, P. 1-11 (год публикации - 2022)
10.1134/S1021443722040148

8. Серегин И.В., Кожевникова А.Д., Схат Х. Две стратегии накопления цинка у растений Тезисы докладов III Международной научно-практической конференции «Клеточная биология и биотехнология растений» (Беларусь, Минск, 2022), С. 43-44 (год публикации - 2022)

9. Кожевникова А.Д., Серегин И.В., Схат Х. Влияние экзогенного гистидина на поглощение и транслокацию никеля и цинка у гипераккумулятора Noccaea caerulescens при раздельном и комбинированном действии металлов Тезисы докладов III Международной научно-практической конференции «Клеточная биология и биотехнология растений» (Беларусь, Минск, 2022), С. 44 (год публикации - 2022)

10. Серегин И.В., Кожевникова А.Д., Схат Х. Накопление и распределение никеля у исключателей и гипераккумуляторов семейства Brassicaceae Тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием "Физиология растений и феномика как основа современных фитобиотехнологий" (Нижний Новгород, 2022), С. 118 (год публикации - 2022)

11. Кожевникова А.Д., Серегин И.В., Схат Х. Роль гистидина в транспорте никеля и цинка у Arabidopsis thaliana и Lepidium ruderale Тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием "Физиология растений и феномика как основа современных фитобиотехнологий" (Нижний Новгород, 2022), С. 69 (год публикации - 2022)

12. Жуковская Н.В., Иванов В.Б., Кожевникова А.Д., Серегин И.В. Влияние цинка на клеточный рост корня у исключателя Microthlaspi perfoliatum и гипераккумулятора Noccaea caerulescens Тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием "Физиология растений и феномика как основа современных фитобиотехнологий" (Нижний Новгород, 2022), С. 55 (год публикации - 2022)

13. Лыкова Т.Ю., Кожевникова А.Д., Серегин И.В. Ростингибирующее действие и распределение никеля у растений Noccaea caerulescens и Microthlaspi perfoliatum Тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием "Физиология растений и феномика как основа современных фитобиотехнологий" (Нижний Новгород, 2022), С. 79 (год публикации - 2022)

14. Серегин И.В., Иванова Т.В., Воронков А.С., Кожевникова А.Д., Схат Х. Zinc-and nickel-induced changes in fatty acid profiles in the zinc hyperaccumulator Arabidopsis halleri and non-accumulator Arabidopsis lyrata Plant Physiology and Biochemistry, V. 197, 107640, P.1-21 (год публикации - 2023)
10.1016/j.plaphy.2023.107640

15. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. Phytochelatins: sulfur-containing metal (loid)-chelating ligands in plants International Journal of Molecular Sciences, V. 24(3), 2430, P. 1-40 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24032430

16. Серегин И.В., Кожевникова А.Д. Nicotianamine: A кey player in metal homeostasis and hyperaccumulation in plants International Journal of Molecular Sciences, V. 24(13), 10822, P. 1-32 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms241310822

17. Кожевникова А.Д., Серегин И.В., Схат Х. Роль гистидина в поглощении и транспорте никеля и цинка у гипераккумулятора Noccaea caerulescens при раздельном и комбинированном действии металлов Тезисы докладов X Съезда ОФР и Всероссийской научной конференции с международным участием «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата», С.180 (год публикации - 2023)

18. Серегин И.В., Кожевникова А.Д., Схат Х. Токсическое действие и накопление цинка и никеля у исключателей и гипераккумуляторов из семейства Brassicaceae Тезисы докладов X Съезда ОФР и Всероссийской научной конференции с международным участием «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата»., С. 322 (год публикации - 2023)

19. Лыкова Т.Ю., Кожевникова А.Д., Злобин И.Е., Карташов А.В., Серегин И.В. Сравнительный анализ токсического действия и распределения никеля у растений Microthlaspi perfoliatum и Noccaea caerulescens Тезисы докладов X Съезда ОФР и Всероссийской научной конференции с международным участием «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата», С. 224 (год публикации - 2023)

20. Жуковская Н.В., Иванов В.Б., Кожевникова А.Д., Лунькова Н.Ф., Лыкова Т.Ю., Серегин И.В. Сравнительный анализ механизма ростингибирующего действия цинка у гипераккумулятора Noccaea caerulescens и исключателя Microthlaspi perfoliatum Тезисы докладов X Съезда ОФР и Всероссийской научной конференции с международным участием «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата», С. 147 (год публикации - 2023)

21. Серегин И.В., Иванова Т.В., Воронков А.С., Кожевникова А.Д., Схат Х. Изменение состава жирных кислот при действии цинка и никеля у гипераккумулятора цинка Arabidopsis halleri и исключателя Arabidopsis lyrata Тезисы докладов VI Всероссийской научной конференции с международным участием «Устойчивость растений и микроорганизмов к неблагоприятным факторам среды», С. 62 (год публикации - 2023)

22. Серегин И.В., Кожевникова А.Д., Схат Х. Две стратегии накопления никеля у растений Тезисы докладов VI Всероссийской научной конференции с международным участием «Устойчивость растений и микроорганизмов к неблагоприятным факторам среды», С. 63 (год публикации - 2023)

Публикации