Стероидные фитогормоны и их новые производные - природный нанобиотехнологический инструмент для высокопродуктивного экологического земледелия

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 23-44-10019

НазваниеСтероидные фитогормоны и их новые производные - природный нанобиотехнологический инструмент для высокопродуктивного экологического земледелия

Руководитель Ефимова Марина Васильевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №73 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований международными научными коллективами» (БРФФИ)

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

Ключевые слова Брассиностероиды, синтез брассиностероидов, иммуноферментный анализ, хлоридное засоление, водный дефицит, активность антиоксидантных ферментов, фотосинтез, экспрессия генов.

Код ГРНТИ34.31.31; 34.31.27; 34.31.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение крупной фундаментальной проблемы современной экспериментальной биологии – создание методологии управления жизнеспособностью и продуктивностью растений, использующей нанобиотехнологический принцип воздействия на растение природными биорегуляторами, которые в естественных условиях контролируют на молекулярном уровне все важнейшие процессы функционирования клетки и организма в целом. В качестве объекта будут исследованы стероидные фитогормоны брассиностероиды (СФ), эффект которых предопределяют естественные эволюционно-сформированные пути воздействия на метаболические процессы, клеточный гомеостаз и адаптацию растений к изменяющимся условиям окружающей среды. Планируемая в проекте расшифровка механизма повышения ими продуктивности и устойчивости растений в условиях стресса, а также разработка теоретических основ нанобиотехнологий их применения явится предпосылкой к созданию принципиально новых средств для достижения высокой продуктивности в экологическом земледелии. Так как существующие в настоящее время в мире такого рода технологии отличаются низкой эффективностью, высокой трудозатратностью и, зачастую, оказывают негативное влияние на окружающую среду. Создание подобных технологий нового поколения предполагает изучение физиологических и молекулярных механизмов устойчивости растений к экстремальным факторам природного и техногенного происхождения. Решение данной проблемы имеет принципиальное значение для понимания стратегии выживания растений в экстремальных условиях природного и техногенного происхождения. К наиболее распространённым стрессорам можно отнести снижение доступности воды и высокую концентрацию солей в почве. Актуальность исследования проблемы засоления территорий определяется тем, что в настоящее время 25% всех почв земного шара засолены. Это обстоятельство существенно осложняет экологическую ситуацию в России, в том числе, в связи с интенсивным ростом добычи углеводородного сырья. В настоящее время известно более 70 представителей СФ, ряд которых получен путем химического синтеза. Лучше всего охарактеризованы брассинолид, 24-эпибрассинолид и 28-гомобрассинолид, отличающиеся лактонной структурой цикла В стероидного скелета и представляющие заключительное звено в цепи биосинтеза структур с высокой фитогормональной активностью. В меньшей степени изучены производные 6-кето- ряда (24-эпикастастерона, 28- гомокастастерона и т.д.) - биогенетические предшественники лактонов. Кроме того, в литературе практически отсутствуют сравнительные экспериментальные данные по механизмам биологического действия кетон- и лактонсодержащих стероидных соединений на растения в условиях стресса. Известно, что физиологические эффекты брассиностероидов отличаются высокой вариабельностью и характеризуются видоспецифичностью. По этой причине предполагается проводить исследования не только с разными группами брассиностероидов, но и с разными растениями. В рамках проекта будут использованы важнейшие сельскохозяйственные и технические культуры класса однодольных, таких как ячмень (Hordeum vulgare) и двудольных – рапс (Brassica napus) и/или картофель (Solanum tuberosum), а также мутантные линии модельного растения Arabidopsis thaliana с нарушенным синтезом или рецепцией брассиностероидов. В ходе реализации проекта, который соответствует мировому уровню, предполагается провести всесторонние исследования, направленные на выяснение механизмов ответной реакции растений на стероидные гормоны в отсутствие и в присутствии стрессора по ряду ростовых и биохимических показателей (активность неферментативных и ферментативных антиоксидантных систем, аккумуляция химических шаперонов, показатели функционирования ассимиляционного аппарата растений и т.д.) на примере однодольных (ячмень) и двудольных (рапс, картофель, арабидопсис) растений. Полученные в результате данные по структурно-функциональным взаимосвязям в ряду стероидных фитогормонов, выступающих в качестве природных солепротекторов, составят основу для создания активных ингредиентов агропрепаратов, не имеющих аналогов в мировой науке и практике.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ефимова М.В., Данилова Е.Д., Злобин И.Е., Коломейчук Л.В., Мурган О.К., Бойко Е.В., Кузнецов Вл.В. Priming Potato Plants with Melatonin Protects Stolon Formation under Delayed Salt Stress by Maintaining the Photochemical Function of Photosystem II, Ionic Homeostasis and Activating the Antioxidant System International Journal of Molecular Sciences, Vol. 24 (7), p. 6134. (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24076134

2. Коломейчук Л.В., Данилова Е.Д., Мурган О.К., Савчук А.Л., Литвиновская Р.П., Хрипач В.А., Кузнецов Вл.В., Ефимова М.В. Endogenous Brassinosteroids Are Involved in the Formation of Salt Resistance in Plants Doklady Biological Sciences, Vol. 511, pp. 259–263 (год публикации - 2023)
10.1134/S0012496623700485

3. Данилова Е.Д., Злобин И.Е., Ефимова М.В. Short-Term Pretreatment with Melatonin Increases the Resistance of Barley Plants to the Subsequent Action of Cadmium Russian Journal of Plant Physiology, Vol. 70. Article number 95. (год публикации - 2023)
10.1134/S1021443723600800

4. Мурган О.К., Ефимова М.В. Регуляция солеустойчивости растений картофеля лактон- и кетонсодержащими брассиностероидами Тезисы докладов «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» X Съезд общества физиологов растений России Всероссийская научная конференция с международным участием, С. 262. (год публикации - 2023)

5. Каретников А.И. , Дорофеев В.Ю., Медведева Ю.В., Ефимова М.В. Изучение влияния прайминга лактон- и кетонсодержащими брассиностероидами на образование клубней и столонов картофеля сорта Луговской Тезисы докладов «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» X Съезд общества физиологов растений России Всероссийская научная конференция с международным участием, С. 168. (год публикации - 2023)

6. Коломейчук Л.В., Воскобоев П.Д., Ефимова М.В. Повышение устойчивости растений к засолению брассиностероидами Тезисы докладов «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» X Съезд общества физиологов растений России Всероссийская научная конференция с международным участием, С. 183. (год публикации - 2023)

7. Данилова Е.Д., Ефимова М.В. Влияние брассиностероидов на солеустойчивость растений ячменя Тезисы докладов «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» X Съезд общества физиологов растений России Всероссийская научная конференция с международным участием, С. 124. (год публикации - 2023)

8. Коломейчук Л.В., Ефимова М.В. Влияние брассиностероидов на формирование защитных механизмов растений картофеля при солевом стрессе Материалы Международной научной конференции «Настоящее и будущее биотехнологии растений» посвященной 65-летию деятельности Отдела биохимии и биотехнологии растений ГНУ «Центральный ботанический сад НАН Беларуси», С. 76. (год публикации - 2023)

9. Ефимова М., Данилова М., Злобин И., Коломейчук Л., Мурган О., Ливиновская Р., Савчук А., Хрипач В., Жабинский В., Кузнецов В. Exogenic brassinosteroids protect plants under polymetallic pollution Institute of Bioorganic Chemistry NASB, Minsk, Book ofabstracts of the 8th International Conference on Chemistry, Structure and Function of Biomolecules, P. 114, 126. (год публикации - 2024)

10. Коломейчук Л.В., Мурган О.К., Данилова Е.Д.,.. Кузнецов В.В., Ефимова М.В. Effects of Lactone- and Ketone-Brassinosteroids of the 28-Homobrassinolide Series on Barley Plants under Water Deficit Plants, 13(10), 1345; https://doi.org/10.3390/plants13101345 (год публикации - 2024)

11. Серафимович М.В., Ефимова М.В. Эндемик Алтая Sibiraea altaiensis (Laxm.) Schneid.: возможное использование и способы сохранения Биотехнология и селекция растений, Том 7, № 1 , С. 35-42. (год публикации - 2024)
10.30901/2658-6266-2024-1-o3

12. Сергеева М. Н., Данилова Е. Д. Предобработка растений ячменя мелатонином для повышения засухоустойчивости Актуальные проблемы биоразнообразия и биотехнологии : Материалы III Международной научно-практической конференции. Издательство Астраханского государственного университета им. В.Н. Татищева, Астрахань., С. 81-83 (год публикации - 2024)

13. Сушкова Д.В., Мурган О.К., Данилова Е.Д., Коломейчук Л.В., Ефимова М.В. The effect of water deficit on the growth and development to barley plantsts Proceedings of the international conference on plant biology and biotechnology (ICPBB) Алмааты: ИБРР, P. 166., Proceedings of the International conference on plant biology and biotechnology (ICPBB 2024), P. 166. (год публикации - 2024)

14. Данилова Е.Д., Литвиновская Р.П., Ефимова М.В. Брассиностероиды повышают солеустойчивость растений ячменя Общество с ограниченной ответственностью "ИЗДАТЕЛЬСТВО АМБ", Тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием "Экспериментальная биология растений и климатические вызовы. Годичное собрание общества физиологов растений России", С. 107. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 г. исследования были посвящены изучению протекторного эффекта кетон- (28-гомобрассинолид, ГБЛ) и лактон- (28-гомокастастерон, ГКС) содержащих стероидных гормонов в зависимости от способа воздействия (концентрации гормона, продолжительность обработки и способа воздействия (до хлоридного засоления или совместно со стрессовым воздействием)) на растениях рапса (сорт Хантер) и ячменя (сорт Биом). Применяемые нами стероидные гормоны были синтезированы коллегами из Института биоорганической химии. Ответную реакцию растений на фоне или при последующем действии солевого стресса оценивали по ростовым (биомасса растений, линейные размеры корня) и физиологическим (уровень фотосинтетических пигментов, перекисное окисление липидов (ПОЛ), осмотический потенциал клеточного экссудата, содержание пролина и активность антиоксидантных ферментов, оводнённость тканей, накопление ионов) показателям. Был определён уровень экспрессии трёх групп генов, кодирующих антиоксидантные ферменты, дегидрины и ферменты метаболизма пролина. На основе полученных данных, проведено сравнение устойчивости однодольных и двудольных растений, на примере растений рапса и ячменя; оценен вклад брассиностероидов в регулировании молекулярных и физиологических защитных процессов на фоне хлоридного засоления. Синтезированы производные брассиностероидов с дополнительной функциональной группировкой для связывания с белками и получены специфические антисыворотки. Данные соединения были использованы для оценки эндогенного содержания стероидных гормонов группы брассинолида (24S-метил-БС), 24-эпибрассинолида (24-эпи- БС), 28-гомобрассинолида (28-гомо-БС), В-лактонов (B-лактонБС) и B-кетонов (6-кетоБС) методом двухстадийного иммуноферментного анализа. Показано, что эндогенный уровень БС групп 24-эпи- 24S-метил- и 28-гомо-БС зависит от интенсивности стрессового воздействия. Вклад БС в формировании устойчивости растений в ответ на действие хлорида натрия был продемонстрирован на примере восстановления ростовых показателей мутантной линии Arabidopsis, по гену синтеза БС – det2, длительным воздействием БС на фоне хлоридного засоления. На основании проведенных исследований можно предположить о специфичности защитного действия брассиностероидов для разных культур растений. Например, длительное воздействие лактонсодержащим брассиностероидом (ГБЛ) на фоне хлоридного засоления эффективно для сохранения массы растений ячменя и поддержании длины корня. Независимо от длительности обработки, применение 0,1 нМ ГБЛ способствовало снижению осмотического потенциала по сравнению с контрольным значением, и относительно стрессового воздействия. Для снижения окислительного стресса в растениях ячменя, подвергнутых хлоридному засолению, применение ГБЛ было также, эффективнее ГКС, но только при кратковременном воздействии (4 часа). На фоне действия хлоридного засоления и БС отмечено повышение содержания пролина, однако при действии 0,1 нМ ГБЛ вне зависимости от длительности воздействия (2 недели/4 и 24 часа) накопление пролина было ниже. Экзогенные БС повышали активность супероксиддисмутазы (СОД) – набольшая активность фермента показана при совместном действии засоления и БС: ГБЛ (0,1 нМ и 10 нМ) повышал активность СОД на 79 и 94% соответственно, а ГКС вне зависимости от используемой концентрации на 70%. Применение 10 нМ ГБЛ при хлоридном засолении оказывало наибольший эффект на уровень экспрессии генов, кодирующие антиоксидантные ферменты и гены дегидринов. Для растений рапса наиболее эффективным было применение кетон-содержащих БС. Максимальный ростостимулирующий эффект отмечен при 10 нМ ГКС (2 недели) в отсутствии стрессового фактора в среде и 0.1 нМ ГКС (4 часа) при последующем хлоридном засолении. Одновременное воздействие 10 нМ ГКС и стрессора дополнительно снижало осмотический потенциал на 17% относительно действия одного стрессора, что свидетельствует о способности растений более эффективно усваивать воду. При данном воздействии также показано, что ГКС стимулирует накопление транскриптов генов, кодирующих дегидрины. Дополнительно отмечено, что длительное воздействие 0,1 нМ ГКС снижало степень перекисного окисления липидов. Для активации накопления компонентов антиоксидантной неферментативной защитной системы более эффективно применение лактонсодержащих БС. Так 24-часовая предобработка растений 0,1 нМ ГБЛ, на фоне хлоридного засоления увеличивала накопление пролина на 70% относительно воздействия соли. Для ферментативных систем защиты растений рапса на фоне засоления наиболее эффективно применение ГКС (4 часа), которое увеличивало активность СОД в 8 раз относительно контроля. Обработка растений брассиностероидами дополнительно снижала активность пероксидазы, вызванной избыточной концентрацией соли, вне зависимости от их концентрации, химической структуры и длительности воздействия. Таким образом, можно сделать вывод о том, что для повышения толерантности к засолению растений ячменя наиболее эффективно применение лактонсодержащих брассиностероидов, тогда как для растений рапса – кетонсодержащих. Это доказывает усиление роста, снижение величины осмотического потенциала, уменьшение степени окислительного стресса и увеличение ферментативной активности на фоне хлоридного засоления при действии ГКС и ГБЛ для растений рапса и ячменя соответственно. Стоит отметить, что не для всех перечисленных параметрах наиболее эффективно длительное применение брассиностероидов. Так, для сохранения роста растений рапса и снижения уровня перекисного окисления липидов наиболее эффективна была 4-часовая предобработка ГБЛ, а на достоверное снижение осмотического потенциала в растениях ячменя при стрессе длительность применения 0,1 нМ ГБЛ не влияла. Тем не менее, полученные результаты могут быть полезны для создания селективных агропрепаратов на основе кетонсодержащих БС, позволяющих сохранить урожайность двудольных сельскохозяйственно-значимых культур, не оказывая положительного воздействия на однодольные сорные травы в условиях рискованного земледелия. По результатам, полученным в ходе выполнения второго этапа, были опубликованы 2 статьи, одна из них, в журнале первого квартиля, цитируемого базой Scopus/WoS. Предложенная технология «Природные биорегуляторы растений – основа новых экологически безопасных средств защиты и повышения продуктивности сельскохозяйственного производства» была удостоена золотой медали Международной Выставки и Конкурса инновационных проектов HI-TECH (г. Санкт-Петербург). Информация о публикациях в СМИ, посвященных результатам проекта, с упоминанием Фонда: https://news.tsu.ru/news/medtekhnologiya-sozdannaya-v-tgu-poluchila-gran-pri-prestizhnogo-konkursa/; https://naked-science.ru/article/column/poteri-urozhaya-zlakovyh; https://news.tsu.ru/news/biologi-nashli-sposob-snizit-poteri-urozhaya-zlakovykh-kultur-iz-za-zasukhi-/

Публикации