Влияние ризосферных бактерий из рода Azospirillum на функционирование митохондрий пшеницы при воздействии пестицидов и тяжелых металлов

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 23-24-00277

НазваниеВлияние ризосферных бактерий из рода Azospirillum на функционирование митохондрий пшеницы при воздействии пестицидов и тяжелых металлов

Руководитель Гуреева Мария Валерьевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" , Воронежская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-209 - Биотехнология (в том числе бионанотехнология)

Ключевые слова Azospirillum, микробно-растительные взаимодействия, митохондрии, митохондриальная ДНК, фитогормоны, ризосфера, пестициды, тяжелые металлы, секвенирование нового поколения

Код ГРНТИ62.99.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Различные внешние факторы, такие как предобработка семян пестицидами или высадка в почву, загрязненную тяжелыми металлами, могут негативно сказываться на функционировании митохондрий растений. Митохондриальные дисфункции включают в себя угнетение скорости синтеза АТФ, повышенную продукцию активных форм кислорода (АФК), повреждение генетического аппарата. Однако, несмотря на явно наметившийся мировой тренд в сторону «зеленой биотехнологии», пока рано говорить о том, что в ближайшее время произойдет полный отказ от использования химических пестицидов, поскольку от них зависит продовольственная безопасность во всем мире. А загрязнение почвы тяжелыми металлами и вовсе является практически неразрешимой проблемой из-за активной урбанизации. По этой причине требуется разработать способы минимизации ущерба, которые наносят пестициды и тяжелые металлы сельскохозяйственным растениям путем повреждения митохондрий. Ассоциированные с растениями микроорганизмы играют важную роль в очистке почв от органических и металлических загрязнителей. К этой группе относятся бактерии из рода Azospirillum. Они широко используются в качестве биодобавок из-за их положительного воздействия на рост растений. Одним из основных механизмов их действия на растения является синтез фитогормонов. Известно, что фитогормоны тесно связаны как непосредственно с энергетическим обменом, который протекает в митохондриях, так и с редокс-связанной митохондриальной ретроградной передачей сигналов, которая регулирует экспрессию генов, которые в том числе связаны и с метаболизмов фитогормонов. Таким образом, мы предполагаем, что использование бактерий рода Azospirillum в качестве биодобавок может помочь решить проблему митохондриальных дисфункций при токсическом воздействии на семена с помощью пестицидов и тяжелых металлов. На данный момент, несмотря на значительный интерес к различным бактериальным добавкам, для бактерий из рода Azospirillum не было изучено влияние на функционирование митохондрий растений. Целью данного проекта является изучение роли митохондрий в протекторном эффекте бактерий рода Azospirillum при обработке семян пшеницы обыкновенной (Triticum aestivum L.) пестицидами и при ее выращивании на почве с высоких содержанием тяжелых металлов. Хотя способность азоспирилл снижать негативное воздействие тяжелых металлов и пестицидов на растения была показана неоднократно, ранее не изучался эффект, который могут оказывать выделяемыми азоспириллами биологически активные вещества на митохондрии растений. На первой фазе эксперимента будет отбираться штамм Azospirillum, демонстрирующий наибольшую устойчивость к каждому поллютанту. В коллекции микроорганизмов кафедры биохимии и физиологии клетки Воронежского государственного университета доступны 4 штамма, еще 3 штамма планируется заказать из Всероссийской Коллекции Микроорганизмов. Вторая фаза будет представлять собой тепличный эксперимент, в ходе которого в 14-дневных ростках пшеницы будет оцениваться количество повреждений мтДНК и изменения в экспрессии генов, которые участвуют в ретроградной передаче сигналов между фитогормонами и митохондриями. Третья фаза будет представлять из себя полевой эксперимент, в котором будет оцениваться влияние инокуляции пшеницы азоспириллами в условиях стресса, индуцированного повышенными концентрациями пестицидов и тяжелых металлов, на биоразнообразие ризосферного микробного сообщества и количество повреждений мтДНК в семенах. Таким образом, в ходе выполнения проекта впервые будет показано воздействие, которое оказывают продуцируемые азоспириллами биологически активные вещества на функционирование растительных митохондрий и их защиту от стресса, вызываемого металлическими и органическим загрязнителями. Полученные результаты будут иметь не только фундаментальную, но и практическую значимость и помогут в разработке биопрепаратов, способных увеличить урожайность и повысить устойчивость пшеницы к влиянию пестицидов и тяжелых металлов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Гуреева М.В., Гуреев А.П. Molecular Mechanisms Determining the Role of Bacteria from the Genus Azospirillum in Plant Adaptation to Damaging Environmental Factors International Journal of Molecular Sciences, Том 24, № 11, 9122 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24119122

2. Гуреева М.В., Алимова А.А., Еремина А.А., Крюкова В.А., Кириллова М.С., Филатова О.А., Москвитина М.И., Крутских К.П., Чернышова Е.В., Гуреев А.П. Enhancing Wheat Seedling Tolerance to Cypermethrin Through Azospirillum thiophilum Pretreatment Russian Journal of Plant Physiology (год публикации - 2023)

3. Гуреев А.П., Крюкова В.А., Еремина А.А., Алимова А.А., Кириллова М.С., Филатова О.А., Москвитина М.И., Козин С.В., Лясота О.М., Гуреева М.В. Plant‑growth promoting rhizobacteria Azospirillum partially alleviate pesticide‑induced growth retardation and oxidative stress in wheat (Triticum aestivum L.) Plant Growth Regulation, Том 104, стр. 503-521 (год публикации - 2024)
10.1007/s10725-024-01186-2

4. Гуреева М.В., Кириллова М.С., Трандина В.А., Крюкова В.А., Еремина А.А., Алимова А.А., Грабович М.Ю., Гуреев А.П. Effect of Bacteria from the Genus Azospirillum on Oxidative Stress Levels in Wheat Triticum aestivum L. in the Presence of Copper, Nickel, and Lead Microorganisms, Том 13, № 2, 334 (год публикации - 2025)
10.3390/microorganisms13020334

5. Гуреева М.В., Кириллова М.С., Трандина В.А., Крюкова В.А., Еремина А.А., Алимова А.А., Грабович М.Ю., Гуреев А.П. Effect of Bacteria from the Genus Azospirillum on Oxidative Stress Levels in Wheat Triticum aestivum L. in the Presence of Copper, Nickel, and Lead Microorganisms, Том 13, выпуск 2, 334 (год публикации - 2025)
10.3390/microorganisms13020334

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Данный этап проекта был направлен на изучение воздействия тяжелых металлов на продуктивность пшеницы и оценку потенциала инокуляции семян бактериями рода Azospirillum для повышения устойчивости растений к данным поллютантам. Тяжелые металлы оказывают негативное влияние на физиологические процессы в растениях, что может значительно снизить сельскохозяйственную продуктивность. В ходе работы проводился выбор штаммов Azospirillum, наиболее устойчивых к никелю, меди, свинцу и цинку. Наиболее устойчивыми штаммами к никелю оказались A. picis B-2897T и N. irakense B-2893T, к меди - A. picis B-2897T и A.baldaniorum B-3036Т, к свинцу - A. picis B-2897T и A. brasilense B-1547T. Рост всех исследуемых штаммов на жидкой питательной среде полностью подавлялся в присутствии цинка. Исследование показало, что тяжелые металлы, особенно свинец и никель, вызывают окислительный стресс, что подтверждается увеличением уровня малонового диальдегида (МДА) в большинстве исследуемых штаммов. Напротив, медь показала способность снижать уровень МДА у A. baldaniorum B-3036Т. Значительное увеличение активности каталазы у A. picis B-2897T указывает на адаптацию микроорганизмов к стрессу, вызванному тяжелыми металлами. Результаты эксперимента по выращиванию пшеницы (Triticum aestivum L) в контролируемых условиях показали, что присутствие меди, никеля и свинца не оказывает выраженного влияния на массу корней. Цинк, однако, ингибировал рост корней, тогда как инокуляция штаммом N. irakense B-2893T способствовала увеличению массы корней пшеницы. Медь и никель снижали содержание хлорофиллов а и b, в то время как свинец вызывал разные реакции в их уровнях. Бактериальная инокуляция также повлияла на соотношение хлорофиллов, что может свидетельствовать о степени воздействия тяжелых металлов на фотосинтетические процессы. Отсутствовали статистически значимые изменения в уровне МДА и других показателях окислительного стресса, возможно, это связано с использованием недостаточно высоких концентраций тяжелых металлов. Изучение экспрессии генов, ответственных за детоксикацию ксенобиотиков, показало, что воздействие различных металлов на уровень экспрессии генов первой (ген NDOR) и второй (ген GST) фаз детоксикации варьировалось. Присутствие никеля снижало уровень экспрессии генов на 2-2,5 раза. Инокуляция N. irakense B-2893T способствовала увеличению уровня экспрессии обоих генов. Свинец также значительно угнетал экспрессию генов детоксикации, но штамм A. brasilense B-1547T и A. picis B-2897T существенно увеличивали уровень транскриптов NDOR, что свидетельствует о том, что бактерии из рода Azospirillum способны запускать адаптивные механизмы в корнях пшеницы с целью детоксикации тяжелых металлов. В полевых испытаниях были изучены эффекты добавления никеля, свинца и меди на урожайность пшеницы. Результаты показали значительное снижение урожайности при добавлении никеля и свинца на 65% и 27% соответственно, в то время как медь способствовала увеличению продуктивности на 15%. Инокуляция семян штаммами N. irakense B-2893T и A. picis B-2897T помогала нивелировать токсические эффекты никеля, а A. brasilense B-1547T смягчала влияние свинца. Наибольший прирост массы наблюдался в группе, обработанной A. baldaniorum B-3036Т, как в условиях загрязнения, так и в контроле. Это указывает на его потенциал как перспективного микроорганизма для повышения устойчивости и продуктивности пшеницы. Данная работа показывает важность использования инокуляции семян бактериями из рода Azospirillum как стратегию, которая может помочь улучшить адаптацию растений к загрязнению тяжелыми металлами, способствуя тем самым устойчивому сельскому хозяйству.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта имеют прикладное значение для сельского хозяйства. В ходе выполнения проекта были установлены штаммы Azospirillum, совместимые с шестью пестицидами, используемыми для обработки пшеницы. Их использование в качестве биодобавок позволит снизить количество вносимых на поля пестицидов с сохранением урожайности пшеницы.