Опосредованная целлюлозой регуляция растяжимости клеточных стенок Arabidopsis thaliana

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 23-24-00379

НазваниеОпосредованная целлюлозой регуляция растяжимости клеточных стенок Arabidopsis thaliana

Руководитель Суслов Дмитрий Владимирович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

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; 04-206 - Физиология и биохимия растений

Ключевые слова растения, рост клетки растяжением, кислый рост, гравитропизм, клеточная стенка, целлюлоза, биомеханика, крип, арабидопсис, гипокотиль

Код ГРНТИ34.31.27

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Растения обладают уникальным механизмом роста – ростом растяжением, при котором увеличение объема клеток достигается преимущественно за счет накопления в них воды. Данный процесс является одним из важнейших факторов, определяющих продуктивность растений, в том числе сельскохозяйственных культур. Главным биофизическим фактором, лимитирующим скорость роста растительных клеток, является растяжимость клеточных стенок. Она зависит как от состава полимеров клеточной стенки, так и от многочисленных ферментативных и неферментативных белков, которые непрерывно формируют и разрушают ковалентные и нековалентные связи между структурными компонентами стенок. Регуляция растяжимости клеточных стенок является одной из центральных нерешенных проблем физиологии роста растений, главным образом, из-за того, что нам не известна точная архитектура первичных стенок. В настоящем проекте будет исследовано участие целлюлозы в регуляции растяжимости первичных клеточных стенок растений с использованием гипокотилей арабидопсиса в качестве экспериментального объекта. Оценка растяжимости будет осуществляться методом крипа, при котором измеряется зависимая от времени деформация клеточных стенок (крип) под влиянием постоянной нагрузки. Целлюлоза является самым прочным компонентом клеточных стенок и самым распространенным биополимером в живой природе. В последнее десятилетие был достигнут огромный прогресс в понимании ее биосинтеза и было получено множество новых мутантов по синтезу целлюлозы, исследование биомеханики которых позволит установить совершенно новые аспекты участия целлюлозы в определении растяжимости клеточных стенок и регуляции роста растений. Роль целлюлозы в регуляции растяжимости клеточных стенок будет изучена на примере «кислого роста», происходящего за счет снижения рН в апопласте, которое активирует белки экспансины, размягчающие клеточные стенки, и на примере гравитропизма – ростового изгиба, который формируется после изменения ориентации органа растения относительно вектора силы тяжести. Проект подразумевает решение следующих задач: 1) Совершенствование анализа механики клеточных стенок методом крипа для более точной оценки растяжимости клеточных стенок, включающее определение площади поперечного сечения исследуемых образцов с использованием по меньшей мере двух независимых способов; 2) Оценка влияния содержания, ориентации и уровня кристалличности целлюлозы на растяжимость клеточных стенок гипокотилей арабидопсиса в ходе «кислого роста» с использованием специфических мутантов и ингибиторов; 3) Изучение влияния содержания, ориентации и уровня кристалличности целлюлозы на гравитропизм гипокотилей арабидопсиса и растяжимость клеточных стенок в ходе формирования гравитропического изгиба с использованием специфических мутантов и ингибиторов. В рамках выполнения проекта впервые будет исследовано влияние трех разных аспектов организации целлюлозы – ее ориентации, степени кристалличности и содержания – на растяжимость растущих клеточных стенок Arabidopsis thaliana - основного модельного организма в современной биологии растений. Правильная интерпретация полученных данных по растяжимости будет достигнута за счет поправки на площадь поперечного сечения клеточных стенок, которая будет впервые определена с использованием двух независимых методов анализа. Успешное решение описанных выше задач приведет к созданию универсального алгоритма для оценки участия целлюлозы в регуляции растяжимости клеточных стенок во время разных ростовых реакций растения. Полученные данные могут быть использованы для селекции сельскохозяйственных культур с повышенной скоростью роста и продуктивностью, а также для создания технических культур, обеспечивающих более высокий выход биотоплива. Достижимость решения поставленных задач и возможность получения предполагаемых результатов обеспечивается высокой квалификацией и большим опытом работы заявителей проекта в области биомеханики клеточных стенок и электронной микроскопии.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Суслов Д.В., Пожванов Г.А., Липчинский А.А. Mannans and shoot gravitropism in Arabidopsis thaliana Plant Genetics, Genomics, Bioinformatics, and Biotechnology (PlantGen2023): abstracts / Eds. A.A. Kalachev., T.A. Gorhkova, M.L. Ponomareva; FIC KazSC RAS // Kazan: FEN, 2023. – 472 p., p 396 (год публикации - 2023)

2. Суслов Д.В., Пожванов Г.А., Липчинский А.А. МЕХАНИЗМЫ ВЛИЯНИЯ САХАРОЗЫ НА ГРАВИТРОПИЗМ ПОБЕГОВ ARABIDOPSIS THALIANA X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов. – Электрон. текст. данные (1 файл: 4,33 Мб). – Уфа: УИБ УФИЦ РАН, 2023. – 422 с., стр. 343 (год публикации - 2023)
10.31163/978-5-6047532-1-7

3. Суслов Д.В., Иванова А.Н., Бальцерович Д., Тарасова М.С., Котеева Н.К., Виссенберг К. Brassinosteroids Render Cell Walls Softer but Less Extensible in Growing Arabidopsis Hypocotyls Plants, 14(2), 176 (год публикации - 2025)
10.3390/plants14020176

4. Пожванов Г.А., Суслов Д.В. Sucrose and Mannans Affect Arabidopsis Shoot Gravitropism at the Cell Wall Level Plants, 13(2), 209 (год публикации - 2024)
10.3390/plants13020209

5. Суслов Д.В. Влияние организации целлюлозы на кислотоиндуцированное растяжение клеточных стенок в гипокотилях Arabidopsis thaliana Биоинформатика регуляции и структуры геномов / системная биология: Четырнадцатая международная мультиконференция : Тез. докл. (Россия, Новосибирск, 5–10 авг. 2024 г.) / Ин-т цитологии и генетики СО РАН; Новосиб. нац. исслед. гос. ун-т. – Новосибирск: ИЦиГ СО РАН, 2024. – XXXVI с., 2372 с. , 1101-1105 (год публикации - 2024)
10.18699/bgrs2024-06-21

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Исследование влияния специфичного ингибитора биосинтеза целлюлозы изоксабена показало, что он достоверно тормозит рост гипокотилей арабидопсиса в очень низких концентрациях 0,05-0,1 нМ, которые меньше эндогенных концентраций в побегах большинства известных фитогормонов. Вероятно изоксабен влияет не только на синтез целлюлозы, но и запускает у растения пути сигнализации ответа на стресс, что приводит к мощному регуляторному торможению роста. Определение площади поперечного сечения клеточных стенок необходимо для правильной интерпретации данных по биомеханике растительных тканей, т.к. их деформация под влиянием приложенной извне силы пропорциональна развивающемуся в исследуемом образце механическому напряжению (= сила/на площадь поперечного сечения образца). Анализ площади поперечного сечения клеточных стенок гипокотилей 4-суточных этиолированных проростков арабидопсиса дикого типа с разными обработками и мутантов дал следующие результаты (приведены значения в квадратных микрометрах): необработанный дикий тип Col-0 – 433; Col-0 + 250 нМ оризалин (ингибитор кортикальных микротрубочек, нарушающий ориентацию микрофибрилл целлюлозы в клеточных стенках) – 749; Col-0 + 0,1 нМ изоксабен (ингибитор биосинтеза целлюлозы) – 609 нМ; pom2 (нарушение ориентации микрофибрилл целлюлозы) – 366; stl1stl2 (нарушение биосинтеза целлюлозы) – 385; ixr1-1 (снижение кристалличности целлюлозы) – 255; Col-0 + 100 нМ эпибрассинолид – 786. Неожиданно ингибиторы оризалин и изоксабен вызывали увеличение площади поперечного сечения клеточных стенок, тогда как соответствующие им по механизму действия мутации (pom2 и stl1stl2 соответственно) наоборот снижали площадь поперечного сечения клеточных стенок по сравнению с необработанным диким типом (Col-0). Вероятно ингибиторы стимулируют синтез других компонентов клеточных стенок для компенсации нарушений организации и/или недостаточности целлюлозы, а соответствующие мутации не оказывают такого влияния. Выяснение причины данных различий в действии ингибиторов и мутаций – перспективное направление будущих исследований. Изучение влияния ингибитора биосинтеза целлюлозы изоксабена (0,1 нМ) и двойной мутации stl1stl2, нарушающей синтез целлюлозы, на биомеханику клеточных стенок гипокотилей арабидопсиса показало, что в данных условиях сохраняется кислотоиндуцированное, зависимое от белков экспансинов растяжение клеточных стенок. Изоксабен значительно снижал, а двойная мутация увеличивала растяжение нативных клеточных стенок при рН 5 по сравнению с необработанными контрольными растениями дикого типа. Указанные различия эффекта между ингибитором и двойной мутацией могут быть связаны с их противоположным влиянием на площадь поперечного сечения клеточных стенок. Соответственно, одна и та же нагрузка вызывает существенно большее механическое напряжение в клеточных стенках двойного мутанта по сравнению с необработанными растениями дикого типа и растениями Col-0, выращенными в присутствии изоксабена. В исследованиях гравитропизма гипокотилей 4-суточных этиолированных проростков арабидопсиса было выявлено достоверное уменьшение гравитропического изгиба под влиянием ингибитора биосинтеза целлюлозы изоксабена (0,1 нМ) и ингибитора микротрубочек оризалина (250 нМ) после 4 ч и 24 ч гравистимуляции. Мутации pom2 (нарушение ориентации микрофибрилл целлюлозы) и ixr1-1 (снижение кристалличности целлюлозы) не оказывали достоверного влияния на гравитропизм. Анализ организации микрофибрилл целлюлозы в наружной эпидермальной клеточной стенке контрольных растений дикого типа при помощи просвечивающей электронной микроскопии выявил отличия по толщине клеточной стенки. В наружной половине клеточной стенки были обнаружены хорошо выровненные продольные относительно оси гипокотилей микрофибриллы целлюлозы. Во внутренней половине клеточной стенки микрофибриллы целлюлозы не просматривались, возможно из-за маскировки аморфным матриксом пектинов клеточной стенки. В отличие от необработанного контроля дикого типа, у растений Col-0, выращенных в присутствии ингибитора микротрубочек оризалина или ингибитора биосинтеза целлюлозы изоксабена, микрофибриллы целлюлозы просматривались во всех слоях клеточной стенки, их ориентация различалась между слоями и в целом была менее регулярной, чем в контроле. При гравистимуляции в присутствии изоксабена наблюдали большее число продольных микрофибрилл целлюлозы на вогнутой, чем на выгнутой стороне гипокотиля, тогда как в присутствии оризалина не было выявлено различий в организации целлюлозы между выгнутой и вогнутой стороной данного органа. Анализ биомеханики клеточных стенок гипокотилей гравистимулированных и негравистимулированных растений дикого типа, выращенных без дополнительных обработок (контроль), а также в присутствии ингибиторов оризалина или изоксабена, которые подавляли гравитропизм, не выявил достоверных различий между гравистимулированными и негравистимулированными растениями. Вероятно в ходе формирования гравитропического изгиба гипокотилей арабидопсиса происходит одновременное торможение роста клеток на вогнутой стороне и стимуляция растяжения клеток на выгнутой стороне данного органа. Эти противоположные ростовые эффекты компенсируют друг друга и поэтому не выявляются стандартным анализом биомеханики клеточных стенок.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Нет