Электрический сигналинг как потенциальная основа для разработки новых методов сохранения продуктивности растений при развитии почвенной засухи

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 21-74-10088

НазваниеЭлектрический сигналинг как потенциальная основа для разработки новых методов сохранения продуктивности растений при развитии почвенной засухи

Руководитель Юдина Любовь Михайловна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского" , Нижегородская обл

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-204 - Биофизика

Ключевые слова Электрический сигналинг, дистанционные электрические сигналы, сельскохозяйственные растения, продуктивность, почвенная засуха, фотосинтез, транспирация, водный обмен, засухоустойчивость, нестабильные условия среды

Код ГРНТИ34.17.00, 34.31.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предлагаемый проект направлен на поиск новых подходов к сохранению продуктивности растений в условиях развития засухи, связанной со снижением содержания воды в почве. Такая засуха является одной из основных причин потерь урожая в Российской Федерации и мире; при этом, в отдельные годы потери урожая могут достигать 30-50%. Подходы к сохранению продуктивности в условиях засухи часто опираются на использование собственных адаптационных механизмов растения, что позволяет осуществить своевременную (воздействие осуществляется на нужной стадии засухи) и пространственно-неоднородную (воздействие осуществляется только на те участки поля, где развивается водный дефицит) активацию защитных систем растений путем их обработки низкими концентрациями регуляторных соединений. Однако для значительного числа регуляторных систем растения, возможность участия в адаптации к засухе остается слабо исследованной. В частности, практически не изученным остается возможный вклад в адаптацию к засухе процессов электрического сигналинга (включая дистанционные электрические сигналы). При этом показано, что электрические сигналы возникают при локальном действии широкого спектра стрессоров, влияют на многочисленные физиологические процессы (включая водный обмен и фотосинтез) и снижают поражение растений при действии неблагоприятных температур. Важной особенностью влияния электрических сигналов на физиологические процессы является быстрый характер такого влияния (наиболее быстрые ответы транспирации и фотосинтеза могут наблюдаться в пределах 10 минут после распространения сигналов). На основании этого можно ожидать, что процессы электрического сигналинга могут также модифицировать поражение сельскохозяйственных растений при развитии почвенной засухи; т.е. могут быть использованы как принципиально новая основа для разработки методов сохранения продуктивности в условиях засухи. При этом, можно также ожидать, что для развития подобных модификаций засухоустойчивости потребуются относительно малые времена (~ десятков минут); т.е. основанные на электрическом сигналинге подходы могут стать экстренным инструментом для адаптации сельскохозяйственных растений к засухе. Общей задачей предлагаемого проекта является анализ перспектив использования электрического сигналинга (прежде всего, дистанционных электрических сигналов) в качестве основы для создания новых методов сохранения продуктивности сельскохозяйственных растений в условиях развития почвенной засухи. Для решения общей задачи проекта, в его рамках будут решаться следующие локальные задачи: - Исследование индукции и специфических особенностей электрических сигналов у растений при комбинированном действии факторов, сопровождающих развитие почвенной засухи (водный дефицит, повышенная температура, освещение высокой интенсивности), в стабильных и контролируемых (лабораторные эксперименты) и в нестабильных (эксперименты в условиях открытого грунта) условиях выращивания. - Анализ влияния электрических сигналов на продуктивность сельскохозяйственных растений в условиях развития почвенной засухи, включая исследование физиологических основ такого влияния (прежде всего, изменений водного обмена) в стабильных и контролируемых (лабораторные эксперименты) и в нестабильных (эксперименты в условиях открытого грунта) условиях выращивания. - Теоретический поиск потенциальных мишеней для модификации электрического сигналинга, направленный на сохранение продуктивности сельскохозяйственных растений в условиях почвенной засухи, и анализ подходов к реализации такой модификации. - Первичная экспериментальная верификация эффективности выявленных подходов к модификации электрического сигналинга и оценка их перспективности для создания новых методов сохранения продуктивности сельскохозяйственных растений в условиях засухи, обусловленной недостатком воды в почве. Для решения поставленных задач предполагается широкое использование современных методов исследования электрогенеза (многоканальное экстраклеточное отведение; при необходимости, микроэлектродное отведение), фотосинтетической активности (включая, при необходимости, РАМ-флуориметрию, РАМ-имиджинг, анализ индукционных кривых флуоресценции и анализ фотосинтетической ассимиляции углекислого газа с использованием инфракрасного газоанализатора), водного обмена (анализ транспирации с использованием инфракрасного анализатора, оценка водного индекса с использованием гиперспектральной камеры, оценка индекса проводимости устьиц с использованием тепловизора) и другое. Одновременно, в работе будет использованы надежные классические методы, включая оценку общей и сухой массы растений, относительного содержания воды и т.д. Значительная часть проекта будет посвящена разработке математической модели влияния электрических сигналов на водный обмен и продуктивность, которая будет опираться на ранее разработанные коллективом проекта модели электрогенеза высшего растения и модели ряда фотосинтетических процессов, на классические фотосинтетические модели, а также – на описание водных потоков в системе «почва-растение-воздух». Разработанная модель будет параметризирована и верифицирована, после чего она будет использована для выявления потенциальных мишеней для модификации электрогенеза и подходов, которые могут быть использованы для сохранения продуктивности сельскохозяйственных растений в условиях почвенной засухи. Коллектив проекта имеет значительный научный задел по проекту, включая большое число работ, посвященных влиянию электрических сигналов на фотосинтез, транспирацию и устойчивость, а также работ, посвященных оценке состояния растений на основе спектральных индексов и возможным путям модификации состояния растений. В целом, проблема участия электрических сигналов в сохранении продукционного процесса в условиях развития почвенной засухи обладает высокой научной новизной (проблема практически не исследована) и фундаментальной значимостью для физиологии растений (оценка возможности участия дальнего электрического сигналинга в защите растений в естественных условиях), а также связана с крайне актуальной прикладной проблемой в рамках сельского хозяйства (с созданием основ для разработки новых методов минимизации ущерба сельскохозяйственных растений от почвенной засухи).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Юдина Л.М., Громова Е.Н., Гринберг М.А., Попова А.Ю., Сухова Е.М., Сухов В.С. Influence of burning-induced electrical signals on photosynthesis in pea can be modified by soil water shortage Plants, V. 11, N 4. Article 534 (год публикации - 2022)
10.3390/plants11040534

2. Попова А.Ю., Сухова Е.М., Сухов В.С., Юдина Л.М. Почвенная засуха изменяет влияние электрических сигналов на фотосинтез у гороха посевного Биосистемы: организация, поведение, управление: Тезисы докладов 75-й Всероссийской с международным участием школы конференции молодых ученых. Н. Новгород, Университет Лобачевского., 272 с. (год публикации - 2022)

3. Юдина Л.М., Попова А.Ю., Сухова Е.М., Сухов В.С. Анализ изменений фотосинтеза у гороха посевного, вызванных электрическими сигналами в контроле и при почвенной засухе Физиология, биотехнология и биоинформатика растений и микроорганизмов - путь в будущее: 85-летию Р.А. Карначук: материалы Всероссийской конференции, Томск: ООО "Дельтаплан", С. 120-121 (год публикации - 2022)

4. Юдина Л.М., Сухова Е.М., Попова А.Ю., Золин Ю.А., Абашева К.Р., Гребнева К.В., Сухов В.С. Local action of moderate heating and illumination induces propagation of hyperpolarization electrical signals in wheat plants Frontiers in Sustainable Food Systems, V. 61. Article 1062449 (год публикации - 2023)
10.3389/fsufs.2022.1062449

5. Абашева К.Р., Попова А.Ю., Сухова Е.М., Золин Ю.А., Гребнева К.В., Сухов В.С., Юдина Л.М. Влияние комбинированного локального действия освещения и повышенной температуры на генерацию электрических сигналов и изменение физиологических показателей яровой пшеницы Биосистемы: организация, поведение, управление: Тезисы докладов 76-й Всероссийской школы-конференции молодых ученых (Н. Новгород, 11–14 апреля 2023 г.). Н. Новгород, Университет Лобачевского., С. 4. (год публикации - 2023)

6. Попова А.Ю., Юдина Л.М., Золин Ю.А., Сухова Е.М., Гребнева К.В., Абашева К.Р., Сухов В.С. Локальное действие комбинации нагрева и освещения вызывает распространение гиперполяризационных электрических сигналов и влияет на физиологические процессы у пшеницы Сборник научных трудов VII Съезда биофизиков России: в 2 томах, том 2 – Краснодар: Типография ФГБОУ ВО «КубГТУ»., С. 59-60. (год публикации - 2023)
10.26297/SbR6.2023.001

7. Сухова Е.М., Сухов В.С. Electrical signals in systemic adaptive response of higher plants: Integration through separation Bioelectricity, V.5 (3). P. 126-131 (год публикации - 2023)
10.1089/bioe.2022.0042

8. Попова А.Ю., Золин Ю.А., Сухова Е.М., Сухов В.С., Юдина Л.М. Влияние электрических сигналов, вызванных локальным воздействием света и нагрева у пшеницы яровой на фотосинтетические параметры при выращивании в условиях открытого грунта при поливе и засухе X Съезд Российского фотобиологического общества. Конференция «Современные проблемы фотобиологии». Материалы съезда. Пущино: ФИЦ ПНЦБИ РАН, С.83-84 (год публикации - 2023)

9. Юдина Л.М., Попова А.Ю., Сухова Е.М., Золин Ю.А., Сухов В.С. Сравнительная оценка физиологических ответов на умеренные локальные стрессоры у растений пшеницы, выращенных в лабораторных и естественных условиях X Съезд Российского фотобиологического общества. Конференция «Современные проблемы фотобиологии». Материалы съезда. Пущино: ФИЦ ПНЦБИ РАН, С. 285-286 (год публикации - 2023)

10. Сухова Е.М., Юдина Л.М., Сухов В.С. Изменения активности Н+-АТРазы плазматической мембраны как связующее звено между формированием электрических сигналов и развитием фотосинтетических ответов у высших растений Биохимия, Т. 88, вып. 10, с. 1800 – 1817 (год публикации - 2023)
10.1134/S0006297923100061

11. Юдина Л.М., Попова А.Ю., Золин Ю.А., Сухова Е.М., Сухов В.С. Local action of increased pressure induces hyperpolarization electrical signals and influences photosynthetic light reactions in wheat plants Plants, V.12(13), Article 2570 (год публикации - 2023)
10.3390/plants12132570

12. Юдина Л.М., Попова А.Ю., Золин Ю.А., Гребнева К.В., Сухова Е.М., Сухов В.С. Local action of moderate heating and illumination induces electrical signals, suppresses photosynthetic light reactions, and increases drought tolerance in wheat plants Plants, V. 13, Article 1173 (год публикации - 2024)
10.3390/plants13091173

13. Попова А.Ю., Золин Ю.А., Сухов В.С., Сухова Е.М., Юдина Л.М. Влияние комбинации локального умеренного нагрева и освещения на показатели водного обмена интактных частей пшеницы, измеренные тепловизионным методом Биофизика, Т.69, №3 (год публикации - 2024)

14. Попова А.Ю., Золин Ю.А., Сухова Е.М.,Сухов В.С., Юдина Л.М. Анализ физиологических ответов и механизма распространения сигналов, индуцированных локальным комбинированным стимулом у растений пшеницы Биосистемы: организация, поведение, управление: Тезисы докладов 77-й Международной школы-конференции молодых ученых (Н. Новгород, 15–19 апреля 2027 г.). Н. Новгород, Университет Лобачевского., С. 295 (год публикации - 2024)

15. Гребнева К.В., Попова А.Ю., Сухова Е.М.,Сухов В.С., Юдина Л.М. Исследование влияния локальной стимуляции светом и нагревом на индексы отражения растений пшеницы при поливе и засухе Биосистемы: организация, поведение, управление: Тезисы докладов 77-й Международной школы-конференции молодых ученых (Н. Новгород, 15–19 апреля 2027 г.). Н. Новгород, Университет Лобачевского., С. 96 (год публикации - 2024)

16. Абашева К.Р., Попова А.Ю., Сухова Е.М., Золин Ю.А., Сухов В.С., Юдина Л.М. Анализ способности электрических сигналов влиять на параметры фотосинтеза у яровой пшеницы, выращенной на открытом воздухе в условиях полива и засухи Биосистемы: организация, поведение, управление: Тезисы докладов 77-й Международной школы-конференции молодых ученых (Н. Новгород, 15–19 апреля 2027 г.). Н. Новгород, Университет Лобачевского., С. 5 (год публикации - 2024)

17. Юдина Л.М., Попова А.Ю., Золин Ю.А., Сухова Е.М., Сухов В.С. Особенности изменений фотосинтетических параметров при комбинированном локальном действии стрессоров у пшеницы Годичное собрание Общества физиологов растений России. Нижний Новгород: Тезисы докл. Нижегородский госуниверситет им. Н.И.Лобачевского, С. 139 (год публикации - 2022)

18. Юдина Л.М., Сухова Е.М., Попова А.Ю., Золин Ю.А., Абашева К.Р., Гребнева К.В., Сухов В.С. Hyperpolarization electrical signals induced by local action of moderate heating influence photosynthetic light reactions in wheat plants Frontiers in Plant Science, V. 14. Article 1153731 (год публикации - 2023)
10.3389/fpls.2023.1153731

Публикации