Исследование стратегий адаптации риса к недостатку кислорода на основе омиксных технологий

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 25-14-00074

НазваниеИсследование стратегий адаптации риса к недостатку кислорода на основе омиксных технологий

Руководитель Емельянов Владислав Владимирович, Кандидат биологических наук

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

Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова рис, гипоксия, аноксия, реаэрация, адаптация, стратегия избегания, стратегия покоя, Snorkel, Submergence 1, Anaerobic Germination, транскриптомика, метаболомика, PAM-флюориметрия

Код ГРНТИ34.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Устойчивость к недостатку кислорода растительных организмов, являющихся облигатными аэробами, возникла в ходе эволюции у ряда гидрофитных растений. Выделяют две стратегии адаптации: избегание анаэробной среды и покой. Они затрагивают изменения, происходящие в растениях на разных уровнях организации от геномного до феномного. Стратегия избегания кислородной недостаточности (low oxygen escape syndrome, LOES) заключается в ускорении роста осевых органов растений, формировании придаточных корней и аэренхимы при затоплении. В результате, побеги начинают активно транспортировать воздух в затопленные части растения. Стратегия избегания наиболее распространена среди гидрофитов, обитающих в условиях постоянного затопления. Стратегия покоя (low oxygen quiescence syndrome, LOQS) характеризуется торможением роста и обмена веществ, что приводит к ограничению потребления углеводов и выработки токсичных продуктов брожения. Эта стратегия позволяет экономить ресурсы и пережидать непродолжительные периоды внезапного затопления. После снижения уровня воды и возвращения условий нормальной аэрации растения возобновляют рост, используя сохраненную энергию. Какая стратегия адаптации к дефициту кислорода более эффективна и приводит к большей устойчивости (меньшим повреждениям) до сих пор не исследовано. Указанные стратегии устойчивости характерны и для такого хозяйственно значимого злака, как рис. Он составляет основу питания нескольких миллиардов человек. Эффективное производство риса чрезвычайно важно для продовольственной безопасности Российской Федерации. В настоящее время в мировом рисоводстве большое значение придается переходу от трудозатратной рассадной культуры к безгербицидной агротехнологии прямого посева из-за его более низкой стоимости, простоты в эксплуатации, уменьшения использования пестицидов и получения экологически чистой продукции. Для прямого посева требуются новые сорта риса, устойчивые к затоплению, особенно на стадии проростка. В качестве модельного объекта будут использованы уникальные сорта и интрогрессивные линии риса, несущие гены, определяющие стратегию устойчивости к затоплению, полученные в ФГБНУ АНЦ «Донской» (под руководством проф. Костылев П.И.). В рамках предлагаемого проекта планируется провести комплексное изучение стратегий адаптации риса к дефициту кислорода с привлечением омиксных технологий: транскриптомики, метаболомики и феномики. Предполагается оценить устойчивость родительских форм и интрогрессивных линий (включая их гибриды между собой) различными методами, в т.ч. с помощью PAM-флуориметрии (один из методов феномики), а также провести метаболомное и транскриптомное профилирование форм, наиболее различающихся по стратегии устойчивости в условиях дефицита кислорода. Выявленные дифференциально изменяющиеся группы метаболитов и дифференциально экспрессирующиеся гены, свойственные наиболее устойчивым растениям могут быть использованы для диагностики и селекции устойчивых к дефициту кислорода форм растений. Представленный проект основан на применении высокотехнологичного оборудования, имеющегося у коллектива, а также в ресурсных центрах, что обеспечит получение результатов самого современного уровня, соответствующего ведущим российским и зарубежным лабораториям. Большой опыт руководителя и ответственных исполнителей проекта, а также слаженность коллектива являются гарантией своевременное выполнение всех поставленных задач.

Ожидаемые результаты
Проект ставит своей целью проведение комплексного сравнительного анализа стратегий адаптации риса, злака, относящегося к гидрофитам, к недостатку кислорода. Методы высокотехнологических омиксных технологий (секвенирования; метаболомного профилирования с использованием газовой хроматографии, сопряженной с масс-спектрометрией; ряда подходов фенотипирования, в том числе основанного на применении импульсно-амплитудной модулированной флюориметрии (PAM-флюориметрии)), будут применены для выявления особенностей роста и развития растений, а также их устойчивости в условиях дефицита кислорода. Уникальная особенность проекта заключается в использовании в качестве модельных растений проростков сортов и интрогрессивных линий и гибридов риса (Oryza sativa L. var. japonica auct.). Они получены ранее в коллекции ФГБНУ АНЦ «Донской» и несут гены устойчивости к затоплению (SK1, 2, SUB1A, AG1 и 2), определяющие разные стратегии адаптации при действии дефицита кислорода. Полученные результаты будут проанализированы с применением методов мультивариантной статистики. Реализация проекта позволит определить дифференциально экспрессируемые гены, которые характеризуют стратегии адаптации риса к недостатку кислорода и могут использоваться в селекции. Наряду с этим будут выявлены маркерные группы метаболитов, характерные для разных стратегий устойчивости к дефициту кислорода у риса. Тем самым, будут получены результаты, которые могут быть использованы для диагностики устойчивых к дефициту кислорода форм растений, что представляет определённый интерес для селекционных мероприятий и агробиотехнологии. Транскриптомное профилирование сортов и линий риса отечественной селекции будет проведено впервые. На заключительном этапе выполнения проекта на основании совокупного анализа результатов омиксного исследования будет предложена схема сходств и различий стратегий адаптации риса к недостатку кислорода.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проведена комплексная оценка параметров роста и устойчивости к недостатку кислорода растений риса 6 сортов и 28 интрогрессивных линий из коллекции ФГБНУ АНЦ «Донской». С помощью ПЦР анализа с праймерами, специфичными к генам устойчивости к затоплению (SKs, Sub1A и AGs), гены AG1 и 2 (Anaerobic Germination) были выявлены во всех протестированных генотипах. У сорта Новатор (дикий тип) затопление не влияло на рост побегов. Сорт Кубань 3 – носитель гена SK2 отличался стимуляцией роста побегов, характерной для стратегии избегания. Наоборот все представители линий Sub1A при затоплении существенно ограничивали удлинение (в 1,5-4 раза), что характерно для стратегии покоя. Оценка состояния растений, произрастающих в условиях частичного затопления в рисовых чеках на экспериментальных полях АНЦ «Донской» и полного затопления в лабораторных условиях не выявила существенных отличий между протестированными сортами/линиями по эффективности фотосистемы II (Fv/Fm), оцениваемой с помощью PAM-флуориметрии. В большинстве случаев соотношение было в пределах 0,73-0,82, что соответствует функциональному состоянию фотосистемы. Анализ жизнеспособности с помощью тетразолиевого теста показала умеренную отрицательную корреляцию с ростом (r = -0,39, p = 0,03): у генотипа SK2 жизнеспособность при полном затоплении снижалась, а у линий Sub1A и AGs, наоборот, существенно повышалась. Метаболомное профилирование растений различных генотипов было проведено с использованием газовой хроматографии, сопряженной с масс-спектрометрией. Метаболомные профили насчитывали около 300 соединений, представляющих все основные группы соединений центрального метаболизма. Наиболее представлены были соединения углеводного обмена. Метод главных компонент (PCA) показал, что в пространстве первых двух главных компонент (PC) профили дикого типа и Sub1*AGs, а также дикого типа и SK2*AGs образуют отельные группы, однако профили дикого типа и AG1*AG2 не различались (p = 0,4), что свидетельствует об отсутствии метаболических различий и является следствием генетической общности в последнем варианте. Частичное затопление приводило к изменению метаболизма листьев у обоих генотипов, характеризующихся разными стратегиями адаптации. Растения Sub1*AGs демонстрировали общее снижение интенсивности обменных процессов, которое сопровождалось накоплением насыщенных жирных кислот и олигосахаридов. Растения SK2*AGs накапливали больше простых сахаров (гексоз), ненасыщенных жирных кислот и интенсифицировали обмен аминокислот, в том числе ГАМК. При полном отсутствии кислорода (аноксии) и отсутствии фотосинтеза (в темноте) показаны метаболические различия побегов и корней проростков генотипов Sub1 и SK2. Побеги содержали большее разнообразие сахаров и их производных, а корни – аминокислот. По результатам PCA профили метаболитов исследованных генотипов образуют две отельные группы (25,7% дисперсии в побегах и 21,6 % - в корнях), что свидетельствует о метаболических различиях, которые развиваются при действии аноксии. Выявленные при частичном затоплении метаболические тенденции значительно усиливались: повышалось накопление аминокислот, интенсифицировался обмен органических кислот и сахаров. Полученные данные позволяют заключить, что адаптационные изменения, наблюдаемые в генотипах, несущих гены устойчивости Sub1 и SK2, наиболее ярко проявляются на метаболомном уровне и свидетельствуют о важности метаболических изменений при адаптации растений риса к недостатку кислорода.

Публикации

1. Емельянов В.В., Пузанский Р.К., Богданова Е.М., Ванисов С.А., Дубровский М.Д., Ласточкин В.В., Кирпичникова А.А., Брыкова А.Н., Шаварда А.Л., Шишова М.Ф. Metabolic profiling of wheat seedlings under oxygen deficiency and subsequent reaeration conditions International Journal of Molecular Sciences, MDPI, Базель, Швейцария, Т. 26, № 23, № статьи 11610 (год публикации - 2025)
10.3390/ijms262311610

2. Ванисов С.А., Семёнова С.К., Ипатов А.С., Емельянов В.В. Влияние антиоксидантов на окислительные повреждения мембранных липидов проростков пшеницы и риса при реоксигенации и химическом окислительном стрессе ЭкоБиоТех, УФИЦ РАН, Уфа, Россия, Т. 8, № 3, С. 423–435 (год публикации - 2025)
1010.31163/2618-964X/2025-30

3. Шиков А.Е., Шость В.И., Чиркова Т.В., Шишова М.Ф., Емельянов В.В. Forewarned is forearmed: Rice plants develop tolerance to post-anoxia during anoxic conditions by proteomic changes Frontiers in Plant Science, Frontiers Media SA, Лозанна, Швейцария, Т. 16, № статьи 1647411 (год публикации - 2025)
10.3389/fpls.2025.1647411

4. Костылев П.И., Черткова Н.Г., Черпакова Е.Ю., Яновская Н.В. Исследование толерантности риса к длительному погружению в воду в условиях недостатка кислорода Труды Кубанского государственного аграрного университета, ФГБОУ ВО Кубанский ГАУ имени И. Т. Трубилина, Краснодар, Россия, № 121 (5). С. 175-182 (год публикации - 2025)
10.21515/1999-1703-121-175-182