Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В отчетном году выполнены масштабные исследования, направленные на изучение влияния спектрального состава света на метаболизм, фотосинтетическую активность, экспрессию ключевых генов и ультраструктуру хлоропластов у томатов (Solanum lycopersicum). Объектами исследования были дикие типы (WT) и мутантные линии (phyA, phyB1, phyB2, phyAB2, phyAB1B2), характеризующиеся нарушением работы фитохромов и компонентов светового сигналинга. Эксперименты проводились в условиях варьирующего соотношения красного (RL) и дальнего красного света (FRL), охватывая анализ первичного метаболизма в плодах, вторичного метаболизма и экспресии генов в листьях и структурных изменений хлоропластов. Метаболизм в плодах. Изучение первичного метаболизма показало, что спектральный состав света оказывает существенное влияние на углеводный обмен, антиоксидантные свойства и физиологические параметры плодов. У мутанта phyB2 при RL:FRL = 1:2 содержание сахарозы снижалось в 17 раз, что связано с подавлением активности гликолитического пути. При RL:FRL = 2:1 наблюдалось увеличение содержания рибулозо-1,5-бисфосфата (в 41 раз) и аскорбиновой кислоты (в 18 раз), что свидетельствует об усилении Calvin-Benson цикла и накоплении антиоксидантов. У phyA при RL:FRL = 1:1 отмечено снижение сахарозы, но уровень аспарагиновой кислоты и фенилаланина возрастал в 16 раз, что указывает на активацию пентозофосфатного пути, обеспечивающего восстановительные эквиваленты для биосинтеза аминокислот. У тройного мутанта phyAB1B2 под белым светом (WFL) наблюдалось увеличение уровня аскорбиновой кислоты (в 15 раз) и 2-C-метил-D-эритрит-2,4-циклического дифосфата (в 17 раз), что улучшало антиоксидантные свойства и увеличивало сроки хранения плодов. Однако снижение содержания тригалактуроновой кислоты в 100 раз могло негативно влиять на текстуру плодов. Метаболизм в листьях. Вторичный метаболизм изучался с использованием RP-UHPLC-HRMS. Анализ выявил 17 фенольных соединений, включая хлорогеновую кислоту, рутинозид и производные кемпферола. У мутанта phyAB2 при RL:FRL = 1:1 содержание хлорогеновой кислоты увеличивалось на 63% за счёт активации PAL (фенилаланин-аммоний-лиазы), уровень экспрессии которого возрастал в 4,8 раза. У phyA при RL:FRL = 2:1 уровень хлорогеновой кислоты снижался на 28%, что коррелировало с подавлением PAL. Флавоноиды, такие как рутинозид-кверцетин, демонстрировали максимальное накопление при RL:FRL = 2:1 у WT, где содержание рутинозида увеличивалось на 45%. У phyB2 при RL:FRL = 1:1 накопление флавоноидов достигало максимума, что связано с активацией FLS (флавонолсинтазы). Тритерпеноиды, включая марстоментозид, наиболее активно накапливались у phyB2 при WFL, где их содержание увеличивалось на 120%. Экспрессия генов. Анализ экспрессии ключевых генов подтвердил важность фитохромов в регуляции метаболизма и фотосинтетических процессов. Гены D1 (psbA) и D2 (psbD), кодирующие белки реакционного центра PSII, демонстрировали наивысшую активность при RL:FRL = 2:1 у мутанта phyB2. Ген psbS, связанный с нефотохимическим тушением (NPQ), также имел максимальную экспрессию при этих условиях, что указывает на усиление защитных механизмов PSII. У phyA наблюдалось снижение экспрессии HY5 при RL:FRL = 1:1 и 2:1, что свидетельствовало о нарушении передачи светового сигнала. Напротив, у мутанта phyB2 усиливалась экспрессия CUL4, участвующего в деградации белков через E3-убиквитинлигазы. Гены семейства PIF, включая PIF7 и PIF4, проявляли сложный паттерн экспрессии, отражающий специфические механизмы адаптации к спектральным условиям. Ультраструктура хлоропластов. Ультраструктурный анализ хлоропластов выявил изменения, связанные с нарушением фитохромного сигналинга. У phyB2 при RL:FRL = 1:1 и 1:2 наблюдалось накопление крахмала, связанное с нарушением оттока ассимилятов. У phyAB1B2 при RL:FRL = 2:1 фиксировались разрушения гранальной структуры и дестабилизация ламеллярного пространства. У phyA при увеличении FRL полностью исчезал ламеллярный просвет, что приводило к образованию агранальных хлоропластов. Эти изменения указывают на важную роль фитохромов в поддержании структуры тилакоидных мембран и регулировании фотосинтетических процессов. Полученные данные демонстрируют ключевую роль фитохромов в регуляции метаболизма, фотосинтетической активности и ультраструктуры хлоропластов. Спектральный состав света существенно влияет на биосинтез углеводов, антиоксидантов и вторичных метаболитов, а также на адаптационные механизмы растений. Результаты исследований могут быть использованы для оптимизации условий освещения при выращивании томатов, что позволит повысить их питательную ценность, антиоксидантные свойства и срок хранения. Эти данные представляют интерес для сельского хозяйства, пищевой промышленности и разработки функциональных продуктов питания. На основании полученных данных опубликована одна статья в журнале первого квартиля. Также написаны и опубликованы две обзорные статьи в журналах Q1. Коллектив из трёх исполнителей (двое из которых аспиранты) принял очное участие в международной конференции по светокультуре растений в Сеуле, где были представлены устный доклад и проведена апробация материалов, полученных в ходе проекта. Дополнительно одна статья принята в журнал Photosynthetica, выход которой запланирован на следующий год. Ещё одна рукопись находится на рассмотрении в журнале Q1.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В отчётном периоде был выполнен комплекс исследований, направленных на изучение влияния спектрального состава света на первичный и вторичный метаболизм томата, работу фитохромных систем, биосинтез каротиноидов, а также функциональные свойства плодов. Работа включала метаболомный, протеомный и химико-аналитический уровни анализа и привела к получению значимых научных результатов, имеющих как фундаментальную, так и прикладную ценность. На основе данных газовой и жидкостной хроматографии, сопряжённых с масс-спектрометрией, было установлено, что плоды мутантных линий high pigment (hp1 и hp2) характеризуются существенными изменениями углеводного, органокислотного, нуклеотидного и аминокислотного обмена. В условиях различных соотношений красного и дальнего красного света выявлены многократные изменения содержания сахаров, органических кислот и нуклеотидов. Линия hp2 демонстрировала особенно выраженные сдвиги, включая резкое снижение отдельных нуклеотид-фосфатов при одновременном увеличении уровня 5-фосфорибозил-1-пирофосфата, что свидетельствует об активации путей реутилизации нуклеотидов. Полученные данные показали, что световой спектр оказывает глубокое влияние на метаболические траектории, определяющие качество и функциональные свойства плодов. Исследование каротиноидного профиля в листьях мутантов по генам фитохромов (phyA, phyB1, phyB2, phyAB1B2) выявило спектрально-зависимые различия в содержании каротинов (включая β-каротин) и ксантофиллов, таких как лютеин и зеаксантин. Наибольшие изменения наблюдались при режимах с высокой долей дальнего красного света, что подчёркивает ключевую роль фитохромов в регуляции каротиноидного пути. Дополнительно был исследован каротиноидный состав плодов генотипов, способных их формировать. У большинства линий доминировал ликопин, однако у hp-мутантов отмечено повышенное содержание ранних предшественников каротиноидного пути и несколько более широкий набор ксантофиллов. Содержание витамина С достигало 27–28 мг/100 г свежей массы, что подтверждает функциональную ценность исследуемых генотипов. Протеомный анализ показал, что изменение соотношения красного и дальнего красного света запускает принципиально разные регуляторные программы, управляемые фитохромами PhyB1 и PhyB2. PhyB1 обеспечивает контроль метаболических изменений при несбалансированном спектре. При 1:2 его отсутствие приводит к резкому усилению стресс-ассоциированных и вторичных метаболических путей, что свидетельствует о том, что PhyB1 в норме подавляет избыточные защитные реакции и удерживает метаболизм в физиологическом диапазоне. При 2:1 потеря PhyB1 сопровождается снижением уровней белков дыхательной цепи и ферментов аминокислотного обмена, указывая на нарушение энергетического обеспечения фотосинтеза. PhyB2 регулирует и стабилизирует фотосинтетический аппарат преимущественно при сбалансированном спектре 1:1: его отсутствие приводит к снижению уровней Rubisco, белков PSI/PSII и ферментов фиксации углерода, что отражает потерю фотосинтетической устойчивости. При 1:2 отсутствие PhyB2 нарушает контроль качества фотосистем и усиливает стрессовый сигналинг через WRKY- и W2-доменные факторы. При 2:1, напротив, возрастает экспрессия белков, связанных с перестройкой клеточной стенки, липидным сигналингом и переработкой углерода и азота, что указывает на переход к компенсаторной структурно-метаболической адаптации. Таким образом, PhyB1 координирует энергетический баланс и подавляет ненужный стресс, тогда как PhyB2 обеспечивает архитектурную и функциональную стабильность фотосистем и углеродного обмена. Вместе они формируют разделённую, но согласованную систему спектральной адаптации листьев томата. Метаболический анализ вторичных соединений выявил присутствие хлорогеновых кислот, флавоноидных гликозидов кверцетина и кемпферола, производных гентизиновой кислоты, а также тритерпеноидных сапонинов спирасоланового типа. Световые условия существенно влияли на их относительное содержание: синий свет усиливал накопление фенольных кислот, красный флавоноидных гликозидов, тогда как дальний красный свет снижал общий уровень полифенолов. Эти данные подтверждают наличие высокоспециализированных механизмов светозависимой регуляции вторичного метаболизма. Антиоксидантная активность, определённая в тестах DPPH и TEAC, показала, что наибольшие значения наблюдаются у плодов hp-мутантов. Дополнительно был проведён анализ провоспалительной активности метанольных экстрактов на модели макрофагов THP-1. Установлено, что высококонцентрированные метанольные экстракты способны индуцировать продукцию провоспалительных цитокинов, однако данный эффект связан с моделью эксперимента и не отражает условий пищевого потребления. Метаболомный анализ при этом подтверждает отсутствие токсичных соединений в плодах. По результатам проведённых исследований подготовлены пять научных статей, ориентированных на публикацию в журналах первого квартиля; две из них опубликованы, две находятся на финальной стадии повторного рецензирования, одна дорабатывается после отзыва рецензентов. На основании полученных данных сформирован результат интеллектуальной деятельности и подана патентная заявка, посвящённая использованию спектральных режимов освещения для повышения функциональных свойств томата.