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 25-14-00349
НазваниеНеинвазивный мониторинг молекулярной физиологии на протяжении жизни растений
Руководитель Мишин Александр Сергеевич, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Государственный научный центр Российской Федерации Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова Российской академии наук , г Москва
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 Неинвазивный мониторинг, оптический имиджинг, синтетическая биология, биоинженерия, автономная биолюминесценция, трансгенные растения, биолюминесцентный репортер, биосенсор
Код ГРНТИ34.17.09
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение актуальной проблемы современной аграрной биотехнологии – создание систем неинвазивного мониторинга метаболизма сельскохозяйственных растений.
Грамотное использование минеральных удобрений является критическим фактором, от которого зависят как урожайность культур и восстановление почв, так и экологическая безопасность окружающей среды в целом. Для разработки оптимальных схем применения удобрений необходимо контролировать содержание питательных веществ не только в почве, но и в растениях. Биосенсоры количественного прижизненного имиджинга растений предоставляют информацию о пространственно-временном распределении питательных веществ и микроэлементов в тканях, клетках и субклеточных структурах растений, что является необходимым для успешного развития моделей метаболизма, лежащих в основе биоинженерии сельскохозяйственных культур.
В этом году мы опубликовали улучшенную биолюминесцентную систему грибов FBP3 (Shakhova et al. 2024), свечение которой в 100 раз ярче биолюминесценции системы дикого типа, и применили ее в растениях. Это значительно расширяет возможности оптического имиджинга, позволяя наблюдать события внутри клетки, которые ранее были недоступны для мониторинга.
Целью данного проекта является создание и экспериментальная проверка двух генетически кодируемых биолюминесцентных сенсора для неинвазивного прижизненного мониторинга распределения меди и фосфора в тканях взрослых трансгенных растений. Для решения этой задачи в клетки растений будут внедрены гены биолюминесценции грибов, находящихся под контролем промоторов, чувствительных к содержанию фосфора или меди. Это обеспечит автономное свечение тканей растения в зависимости от концентрации в них этих элементов. Регистрация свечения позволит проводить неинвазивный прижизненный мониторинг молекулярной физиологии растения в течение его жизненного цикла.
Научная новизна проекта состоит в получении генетически кодируемых биосенсоров, в каждом из которых оптимизированный ген люциферазы грибов находится под контролем промотора, чувствительного к содержанию фосфора или меди. В результате интенсивность биолюминесценции тканей растения будет пропорциональна содержанию в них изучаемых элементов. Это позволит впервые описать динамику макро- и микроэлементов в отдельных частях индивидуальных растений в течение всего их жизненного цикла.
Научная значимость результатов данного проекта прежде всего состоит расширении возможностей для неинвазивного мониторинга метаболических процессов в растениях, включая осуществление параллельного мониторинга молекулярной физиологии за счет разделения сенсоров в пространстве. Разрабатываемые биосенсоры найдут применение для изучения физиологии растений в их естественной среде, вне стен лаборатории. С их помощью станет возможным проведение неинвазивных долгосрочных экспериментов по визуализации здоровой физиологии и патологических состояний растений, с мониторингом воздействия удобрений, гербицидов, пестицидов в реальном времени в течение недель, месяцев и лет. Также биосенсор поможет визуализировать развитие инфекций у растений в реальном времени и будет способствовать разработке специализированных трансгенных организмов для экологического мониторинга, например, растений, сообщающих с помощью биолюминесценции о загрязнении почвы тяжелыми металлами. Результаты этой работы расширят наше понимание молекулярных основ физиологии растений. Также полученные данные будут способствовать повышению урожайности культур, возобновлению почв и сохранению экологической безопасности окружающей среды.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет разработан новый биолюминесцентный сенсор для прижизненного неинвазивного количественного измерения ключевых микроэлементов в тканях растений.
Впервые будут получены генетически кодируемые биосенсоры, в каждом из которых ген люциферазы грибов находится под контролем промотора, чувствительного к содержанию фосфора или меди. В результате интенсивность биолюминесценции тканей растения будет пропорциональна содержанию в них изучаемых микроэлементов. Это позволит впервые описать динамику микроэлементов в отдельных частях индивидуальных растений в течение всего их жизненного цикла. Технология будет валидирована как минимум в двух модельных системах.
Будут получены трансгенные растения для каждого репортерного
промотора.
С их помощью впервые будут изучены различные способы увеличения доступности фосфора путем прямого наблюдения за фосфорным голоданием растений. Кроме того, будут охарактеризованы эффекты ряда современных удобрений.
Также в рамках проекта впервые реализован подход параллельного мониторинга молекулярной физиологии за счет разделения сенсоров в пространстве. Для этого будет проведен графтинг полученных трансгенных растений на нетрансгенные. Кроме того, будет опробован графтинг разных растений-сенсоров на одно и то же растение для одновременной прижизненной визуализации нескольких молекулярных событий.
Мы ожидаем, что результаты, полученные в рамках предлагаемого проекта, будут иметь значение как для развития методик оптической визуализации физиологических событий в организмах, так и для фундаментальных исследований в области физиологии растений.
В частности, мы ожидаем, что созданные в проекте технологии в последующие годы станут платформой для разработки биолюминесцентных репортеров, позволяющих визуализировать активности различных гормонов, сигнальных каскадов и инфекций в растениях, грибах и других модельных системах.
В то же время, прижизненные данные о распределении микроэлементов в различных тканях растений в течение жизненного цикла, полученные с высоким пространственным и временным разрешением, прояснят их роли в физиологических ответах растений, в том числе, в различных условиях внешней среды.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Проект направлен на решение актуальной проблемы современной аграрной биотехнологии – создание систем неинвазивного мониторинга метаболизма сельскохозяйственных растений.
Грамотное использование минеральных удобрений является критическим фактором, от которого зависят как урожайность культур и восстановление почв, так и экологическая безопасность окружающей среды в целом. Для разработки оптимальных схем применения удобрений необходимо контролировать содержание питательных веществ не только в почве, но и в растениях. Биосенсоры количественного прижизненного имиджинга растений предоставляют информацию о пространственно-временном распределении питательных веществ и микроэлементов в тканях, клетках и субклеточных структурах растений, что является необходимым для успешного развития моделей метаболизма, лежащих в основе биоинженерии сельскохозяйственных культур.
В 2024 году мы опубликовали улучшенную биолюминесцентную систему грибов FBP3 (Shakhova et al. 2024), свечение которой в 100 раз ярче биолюминесценции системы дикого типа, и применили ее в растениях. Это значительно расширяет возможности оптического имиджинга, позволяя наблюдать события внутри клетки, которые ранее были недоступны для мониторинга.
Целью данного проекта является создание и экспериментальная проверка двух генетически кодируемых биолюминесцентных сенсора для неинвазивного прижизненного мониторинга распределения меди и фосфора в тканях взрослых трансгенных растений.
За первый год выполнения проекта были разработаны и собраны генетические конструкции для люминесцентных сенсоров доступности фосфора или меди на основе биолюминесцентной системы грибов и промотора TPSI1 или системы CI-switch, соответственно. Собранные конструкции пригодны для стабильной трансформации растений. Проведена валидация медь-чувствительных конструкций в суспензионной культуре клеток табака BY-2, показавшая высокий динамический диапазон автолюминесцентного ответа и его специфичность к ионам меди. Совместно с партнёрами получены первые трансгенные растения Nicotiana benthamiana с фосфат-чувствительной биолюминесцентной системой и экспериментально подтверждён её функциональный ответ на дефицит фосфора in planta. Инициированы трансформации Arabidopsis thaliana методом floral dip и Nicotiana benthamiana методом трансформации эксплантов для получения стабильных линий-биосенсоров меди, оптимизированы ключевые параметры процедуры и начато получение поколения T1. Сформулирован и обоснован новый подход к мониторингу состояния растений — использование «привитых» люминесцентных сенсорных суспензионных культур.
Публикации
1. Балакирева А.В., Каратаева Т.А., Карампелиас М., Митюшкина Т.Ю., Морозов В.В., Махачек Я., Шахова Е.С., Перфилов М.М., Белозерова О.А., Ковальчук С.И., Палкина К.А., …, Мишин А.С., Саркисян К.С. Non-invasive imaging of defence responses in plants Nature Communications (год публикации - 2025)