Развитие современных методических подходов, включая самые технически сложные омиксные технологии, позволяет на системном уровне подойти к оценке механизмов устойчивости. Высокочувствительное метаболомное профилирование позволяет отобрать контрастные по устойчивости сорта риса российской и зарубежной селекции, а также выявить маркерные группы метаболитов, характеризующие устойчивые к гипоксии растения, которые могут быть использованы для диагностики устойчивых к дефициту кислорода форм растений, что представляет определённый интерес для селекционных мероприятий и агробиотехнологии.
Коллектив заявителей имеет богатый опыт работы в области адаптации растений к дефициту кислорода с одной стороны, и с методами метаболомного анализа с другой. С использованием методов выделения, очистки и иммуноферментного определения гормонов растений были выявлены различия в динамике свободных форм основных фитогормонов (цитокининов, АБК и ИУК) при аноксии между пшеницей и рисом – растениями, различающимися по устойчивости к данному стрессору. Содержание ИУК увеличивалось только в тканях проростков риса. При реаэрации уровень ИУК в проростках риса быстро восстановился до нормоксического уровня, тогда как в проростках пшеницы происходило его существенное снижение, что могло быть одной из причин их гибели. Обработка экзогенной ИУК увеличивала выживаемость растений в условиях аноксии, а трансгенные растения табака 35S:iaaM × 35S:iaaH с повышенным уровнем ИУК в тканях обладали большей устойчивостью к кислородной недостаточности (Yemelyanov et al., 2020a).
Изучение молекулярных механизмов окислительного постаноксического стресса в растениях, проведённое в рамках проекта РФФИ 18-04-00157, показало, что аккумуляция перекиси водорода, перекисное окисление липидов и карбонилирование белков у неустойчивого объекта (пшеницы) стимулировались в большей степени, чем у устойчивого (риса) как под действием постаноксии, так и окислительных агентов (метилвиолагена и менадиона – продуцентов супероксидного анион-радикала, перекиси водорода, а также смеси меди и аскорбиновой кислоты для генерации OH• радикала). Постаноксия приводила к развитию больших повреждений у менее устойчивого объекта, чем искусственный окислительный стресс, вызванный прооксидантами (Емельянов и др., 2020). Рис, наоборот, демонстрировал повышенную устойчивость как к постаноксическому, так и химическому окислительному воздействию. Исследование продукции АФК в протопластах из листьев растений с помощью АФК-чувствительного флуоресцентного зонда выявило большую реактивность протопластов риса по отношению к гипоксии, реаэрации и перекиси водорода, тогда как в протопластах пшеницы более интенсивная аккумуляция АФК под действием метилвиологена и менадиона. Бóльшая аккумуляция АФК в протопластах и проростках риса при краткосрочных аноксии и реаэрации может быть отражением их активного участия в трансдукции кислородного сигнала. Ранее нами было показано активное участие кальциевых и калиевых каналов на плазмалемме в трансдукции аноксического сигнала у растений риса (Yemelyanov et al., 2020b).
Исследование механизмов адаптации растений к недостатку кислорода проводились на кафедре физиологии и биохимии растений классическими методами физиологии, биохимии и микроскопии. Параллельно с ним совместно с коллегами с кафедры генетики и биотехнологии СПбГУ путём агробактериальной трансформации получены гомозиготные линии растений табака Nicotiana tabacum, стабильно наследующие и экспрессирующие ген sIFNG под контролем конститутивного 35S промотора, а также синтезирующие белок бычьего гамма-интерферона, обладающий биологической активностью. Метаболомное профилирование этих трансгенных растений выявило незначительные изменения метаболомов по сравнению с растениями дикого типа (Yemelyanov et al., 2021). Более того, и у растений дикого типа, и у трансгенных растений условия выращивания (в грунте или in vitro) вызывали более существенные изменения метаболомов, чем отсутствие/наличие генноинженерной вставки.
В сотрудничестве с коллегами из Ботанического института им. В.Л. Комарова, Всероссийского института генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова (ВИР) и ВНИИСХМ проведены эксперименты по анализу метаболомных изменений у ряда культурных растений, а также одноклеточных водорослей (Puzanskiy et al., 2021). Проанализированы метаболомы различных органов картофеля, в том числе генеративных, у генотипов, различающихся формами мужской стерильности. Показана ключевая роль углеводов и аминокислот в определении фертильности пыльцы проанализированных форм (Shishova et al., 2019). Охарактеризовано изменение метаболома растений-хозяев (люцерны хмелевидной и гороха посевного) при развитии высокоэффективной арбускулярной микоризы. Доказано значение сахаров в регуляции общего физиологического состояния растений, особенно на этапе перехода к зацветанию (Shtark et al., 2019; 2021; Yurkov et al., 2021).
Публикации:
1. Shishova M., Puzanskiy R., Gavrilova O., Kurbanniazov S., Demchenko K., Yemelyanov V., Pendinen G., Shavarda A., Gavrilenko T. Metabolic alterations in male-sterile potato as compared to male-fertile // Metabolites. 2019. Vol. 9, No. 2. 24. https://doi.org/10.3390/metabo9020024
2. Shtark O.Y., Puzanskiy R.K., Avdeeva G.S., Yurkov A.P., Smolikova G.N., Yemelyanov V.V., Kliukova M.S., Shavarda A.L., Kirpichnikova A.A., Zhernakov A.I., Afonin A.M., Tikhonovich I.A., Zhukov V.A., Shishova M.F. Metabolic alterations in pea leaves during arbuscular mycorrhiza development // PeerJ. 2019. Vol. 7. e7495. http://doi.org/10.7717/peerj.7495
3. Шиков А.Е., Чиркова Т.В., Емельянов В.В. Постаноксия у растений: причины, последствия и возможные механизмы // Физиология растений. 2020. Т. 67, № 1. С. 50-66. http://doi.org/10.31857/S0015330320010200 [Shikov A.E., Chirkova T.V., Yemelyanov V.V. Post-anoxia in plants: reasons, consequences, and possible mechanisms // Russian Journal of Plant Physiology. 2020. V. 67, No. 1. P. 45-59. http://doi.org/10.1134/S1021443720010203]
4. Yemelyanov V.V., Lastochkin V.V., Chirkova T.V., Lindberg S.M., Shishova M.F. Indoleacetic acid levels in wheat and rice seedlings under oxygen deficiency and subsequent reoxygenation // Biomolecules. 2020. Vol. 10, No. 2. 276. http://doi.org/10.3390/biom10020276
5. Емельянов В.В., Шиков А.Е., Ласточкин В.В., Чиркова Т.В. Окислительный стресс под действием реаэрации и генераторов АФК в проростках пшеницы и риса // ЭКОБИОТЕХ. 2020. Т. 3, № 2 С. 229-238. http://doi.org/10.31163/2618-964X-2020-3-2-229-238
6. Yemelyanov V.V., Chirkova T.V., Lindberg S.M., Shishova M.F. Potassium efflux and cytosol acidification as primary anoxia-induced events in wheat and rice seedlings // Plants. 2020. Vol. 9, No. 9. 1216. https://doi.org/10.3390/plants9091216
7. Shtark O., Puzanskiy R., Avdeeva G., Yemelyanov V., Shavarda A., Romanyuk D., Kliukova M., Kirpichnikova A., Tikhonovich I., Zhukov V., Shishova M. Metabolic alterations in Pisum sativum roots during plant growth and arbuscular mycorrhiza development // Plants. 2021. Vol. 10, No. 6. 1033. https://doi.org/10.3390/plants10061033
8. Шишова М.Ф., Емельянов В.В. Изменение протеома и липидома мембран растительной клетки в ходе развития // Физиология растений. 2021. Т. 68, № 5. С. 469-488. https://doi.org/10.31857/S001533032105016X [Shishova M.F., Yemelyanov V.V. Proteome and lipidome of plant cell membranes during development // Russian Journal of Plant Physiology. 2021. V. 68, No. 5. P. 800-817. https://doi.org/10.1134/S1021443721050162]
9. Puzanskiy R., Romanyuk D., Shavarda A., Yemelyanov V., Shishova M. A possible molecular mechanism of Chlamydomonas reinhardtii adaptation to different trophic conditions // Protistology. 2021. Vol. 15, No. 3. P. 170-189. https://doi.org/10.21685/1680-0826-2021-15-3-7
10. Yurkov A.P., Puzanskiy R.K., Avdeeva G.S., Jacobi L.M., Gorbunova A.O., Kryukov A.A., Kozhemyakov A.P., Laktionov Y.V., Kosulnikov Y.V., Romanyuk D.A., Yemelyanov V.V., Shavarda A.L., Kirpichnikova A.A., Smolikova G.N., Shishova M.F. Mycorrhiza-induced alterations in metabolome of Medicago lupulina leaves during symbiosis development // Plants. 2021. Vol. 10, No. 11. 2506. https://doi.org/10.3390/plants10112506
Реализованные научно-исследовательские работы:
• РФФИ 18-04-00157 Изучение молекулярных механизмов окислительного пост-аноксического стресса в растениях (2018-2020) Руководитель – Емельянов В.В. 2100000 ₽
Доклады по тематике исследования на российских и международных научных (научно-практических) семинарах и конференциях:
1. Емельянов В.В., Шиков А.Е., Ласточкин В.В., Чиркова Т.В. Является ли постаноксия самостоятельным стрессором? // Тезисы докладов IX Съезда общества физиологов растений России «Физиология растений – основа создания растений будущего», Казань, 19-24 сентября 2019. С. 163. DOI: 10.26907/978-5-00130-204-9-2019-163 устный доклад
2. Шишова М.Ф., Пузанский Р.К., Курбаниязов Ш.К., Емельянов В.В., Шаварда А.Л., Гавриленко Т.А. Особенности метаболических изменений в пыльниках растений мужскостерильных сортов картофеля // Сборник тезисов Международной конференции «125 лет прикладной ботаники в России», СПб., 25-28 ноября 2019. С. 200-201. устный доклад
3. Емельянов В.В. Окислительный стресс в растениях при действии дефицита кислорода и последующей реаэрации // Материалы докладов III Международного симпозиума «Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений», 22–28 августа 2021 г., Екатеринбург, Россия. Екатеринбург: Изд-во АМБ, 2021. С. 99-100. пленарный доклад
4. Бертова А.Д., Емельянов В.В. Экспрессия генов, кодирующих ферменты метаболизма и белки ответа на салициловую кислоту, в растениях пшеницы и риса при дефиците кислорода и последующей реаэрации // Материалы всероссийской научной конференции с международным участием, школы для молодых ученых и Годичного собрания Общества физиологов растений России «Экспериментальная биология растений и биотехнология: история и взгляд в будущее», 27 сентября – 1 октября 2021 г., Москва. С. 264. стендовый доклад
5. Шишова М.Ф., Емельянов В.В. Суспензионная культура клеток табака как модель для изучения роста растяжением // Там же, С. 345. устный доклад