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-/

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках проекта выполнен комплекс работ, направленных на изучение роли брассиностероидов в адаптации растений к водному дефициту. В частности, был произведён синтезе гаптенов на основе брассиностероидов, несущих полный спектр незамещенных характеристических функций как в циклической части, так и в боковой цепи молекулы. Из 26-гидрокси-24-норкастастерона и 26-гидроксинорбрассинолида в ходе пяти последовательных стадий были получены производные, способные к связыванию с белками. Кроме того, осуществлен синтез конъюгатов брассиностероидов (норбрассинолида и норкастастерона) с белками (бычий сывороточный альбумин и пероксидаза хрена), что позволило получить антисыворотки, пригодные для иммуноферментного определения наиболее активных и перспективных В-лактон- и В-кетонбрассиностероидов (в концентрации 0,3 нмоль/л или 7 пкг в 50 мкл образца) в растениях, испытывающих водный дефицит. Важным результатом стало создание и изучение 2,3,22,23-тетрагемисукцината (ТГС ЭБЛ), стабильность которого была доказана. Впервые обнаружено, что ТГС ЭБЛ оказывает более выраженное защитное действие на растения рапса в условиях солевого стресса по сравнению с ЭБЛ, эффективно регулируя антиоксидантную систему и предотвращая повреждение липидов. Проведено определение содержания эндогенных брассиностероидов B-лактонной и б-кетонной групп в растениях ячменя и рапса при моделировании водного дефицита. В ячмене наблюдалось снижение В-лактонов при засухе; предварительная обработка гомокастастероном (ГКС) компенсировала это снижение, повышая уровень В-лактонов относительно засушенных растений без обработки, что указывает на адаптивную роль этих соединений в устойчивости однодольных растений. Уровень В-кетонов также снижался при засухе, а обработка ГБЛ и ГКС частично восстанавливала эти показатели. При осмотическом стрессе у рапса содержание В-кетонов повышалось в 1,5 раза, что свидетельствует о видоспецифических различиях в метаболизме брассиностероидов между двудольными и однодольными растениями. Исследовали влияние стероидных гормонов, различающихся по химической структуре, на восстановление фенотипа проростков Arabidopsis с нарушенным синтезом брассиностнроидов. Эксперимент проводился на линиях Arabidopsis thaliana: диком типе (Columbia) и мутанте с нарушением синтеза брассиностероидов (det2). Обработка гормонами полностью компенсировала стресс у родительской линии, тогда как у det2 ГКС не активировал защитные механизмы, а ГБЛ снижал нефотохимическое тушение, что свидетельствует о нарушении фотосинтетических процессов и снижении эффективности защиты фотосинтетического аппарата у мутанта при стрессовых условиях. Эти данные подчёркивают ключевую роль брассиностероидов в регуляции стрессовых ответов и поддержании фотосинтетической функции растений Кроме того, был изучен протекторный эффект экзогенных брассиностероидов на ячмень и рапс при водном дефиците. У рапса брассиностероиды в оптимальных условиях способствовали стимуляции роста и увеличению биомассы. В условиях водного дефицита ГКС полностью компенсировал сокращение длины стебля, сохраняя данный параметр на уровне контроля. Водный дефицит приводил к снижению относительного содержания воды в листьях и осмотического потенциала, при этом предварительная обработка брассиностероидами частично смягчала потерю воды и усиливала снижение осмотического потенциала, способствуя поддержанию водного баланса. Уровень перекисного окисления липидов повышался при засухе, но снижался под воздействием гормонов. ГКС способствовал увеличению содержания пролина, тогда как ГБЛ подобных изменений не вызывал. Активность антиоксидантных ферментов изменялась под действием засухи и предобработки, при этом гормоны повышали активность каталазы и пероксидазы, снижая активность супероксиддисмутазы. Минеральный состав листьев варьировался: засуха снижала содержание натрия и кальция, тогда как предобработка способствовала увеличению накопления магния и кальция, а также влияла на содержание калия и фосфора. У ячменя водный дефицит вызывал снижение биомассы, длины стебля и содержания пигментов. Предварительная обработка ГБЛ частично подавляла данное негативное влияние засухи. Водный стресс вызывал снижение содержания воды и осмотического потенциала в листьях, тогда как обработка брассиностероидами уменьшала выраженность даннвх изменений. В оптимальных условиях гормональное воздействие снижало уровень перекисного окисления липидов, а при засухе ГКС компенсировал его повышение. Минеральный состав листьев под влиянием стресса и обработки демонстрировал увеличение содержания магния и кальция и изменения уровня фосфора и калия. Таким образом, предварительная обработка брассиностероидами способствует частичной компенсации негативных эффектов водного дефицита в рапсе и ячмене за счет стимуляции роста, поддержания водно-минерального баланса, стабилизации фотосинтетических процессов и активации антиоксидантной системы. Анализ экспрессии ключевых генов выявил разнонаправленное регулирование при воздействии брассиностероидов и стресса. При засухе гены синтеза пролина (P5CS1, P5CR) повышали экспрессию, тогда как ген деградации пролина (P5CDH) подавлялся. Под действием гормонов экспрессия генов антиоксидантных ферментов зависела от вида: у рапса обработка ГКС подавляла экспрессию супероксиддисмутазы и аскорбатпероксидазы в норме, но усиливала её при комбинированном стрессе; у ячменя наблюдалась активация глутатионредуктазы. Анализ генов дегидринов выявил специфичность ответа: рапс демонстрировал избирательную активацию ERD14 и ERD10 с подавлением HIRD11 и RAB18, тогда как ячмень проявлял более комплексную активацию множественных дегидринов (DHN3, DHN8, DHN9, DHN11) с преимущественно супрессивным действием гормонов. Таким образом, выполненный комплекс работ позволил углубить понимание механизмов, лежащих в основе адаптации растений к водному дефициту при участии брассиностероидов, и создать прочный фундамент для дальнейших исследований в этой области. Результаты исследований были представлены на российских и международных научных конференциях, что способствует широкому распространению полученных знаний в научном сообществе. По результатам, полученным в ходе выполнения третьего этапа, были опубликованы 3 статьи, одна из них, в журнале первого квартиля, цитируемого базой Scopus/WoS.