Том 70, № 2 (2023)

Оксид азота – универсальная сигнальная молекула, вовлекаемая в модуляцию метаболической активности в ходе нормального роста и развития растений, и при формировании их устойчивости к стрессовым факторам окружающей среды. В обзоре представлены ключевые сведения, отражающие современное состояние проблемы регуляторной роли NO в растениях. Приведены краткие сведения о физико-химических свойствах NO, методах его исследования, путях биосинтеза и функциональной активности на разных этапах развития растений (прорастание, вегетативный рост, цветение, корнеобразование, симбиоз, минеральное питание). Кроме того, описано проявление защитных эффектов NO в условиях дефицита влаги, поскольку нарушение водного режима и обезвоживание растений наблюдается при воздействии разных абиотических стрессовых факторов, включая засуху, засоление, гипо- и гипертермию. Особое внимание уделено молекулярным механизмам NO-зависимого сигналинга, которые реализуются в растениях на геномном, протеомном и пост-протеомном уровнях в ходе множественных реакций нитрования. Понимание механизмов регуляторного действия NO в норме и при стрессе имеет важное теоретическое и прикладное значение в связи с необходимостью фундаментального обоснования возможности практического применения NO с целью повышения устойчивости и продуктивности культурных растений.

В противоположность естественному фотопериоду, включающему чередование дня и ночи в суточном цикле, круглосуточное освещение обеспечивает непрерывное поступление световой энергии, необходимой для фотосинтеза, вызывает постоянное фотоокислительное воздействие, сигнальное воздействие на фоторецепторы и приводит к рассогласованию внутренних (циркадных) биоритмов с внешним циклом свет/темнота (циркадная асинхрония). У многих видов растений в условиях круглосуточного освещения развивается характерный и потенциально летальный межжилковый хлороз и некроз. Данный феномен (фотоповреждение листьев растений в условиях длинных фотопериодов, включая круглосуточное освещение) был описан более 90 лет назад, однако причины этого до сих пор не вполне ясны. Хотя понимание его биологической природы важно не только в теоретическом плане, но и с практической точки зрения, поскольку выращивание растений в условиях круглосуточного освещения при относительно невысокой плотности потока фотонов считается потенциально одним из наиболее эффективных способов экономии ресурсов и повышения продуктивности растений в теплицах и на фабриках растений с искусственным освещением. В обзоре обобщены и проанализированы имеющиеся на сегодняшний день литературные и собственные данные в поддержку или опровержение гипотезы о накоплении углеводов и, в частности, гипераккумуляции крахмала, в листьях как основной причине появления фотоповреждений у растений, находящихся в условиях круглосуточного освещения или длинных фотопериодов. Проведенный анализ большого числа работ свидетельствует о том, что накопление углеводов не является главной и тем более единственной причиной повреждения листьев растений при круглосуточном освещении, хотя и исключить роль этого фактора в развитии фотоповреждений тоже нельзя. По мнению авторов, в процессе появления и развития фотоповреждений, вызванных круглосуточным освещением, участвует не один, а несколько факторов одновременно (фотоокисление, стресс-индуцированное старение, циркадная асинхрония и др.). При этом удельный вклад каждого из них может существенно варьировать в зависимости от биологических особенностей объекта (видовая и сортовая принадлежность, возраст и фаза развития) и условий внешней среды.

Томат Solanum lycopersicum L. является важной сельскохозяйственной культурой и, одновременно, моделью для изучения онтогенеза сочного плода. Решающую роль в созревании плода играет абсцизовая кислота, которая образуется в результате окислительного расщепления эпоксикаротиноидов 9-цис-эпоксикаротиноид-диоксигеназами NCED. В работе определены профили экспрессии генов SlNCED1 и SlNCED2 и содержание каротиноидов в плодах на разных стадиях развития у трех сортов томата с различной окраской спелого плода. Показано, что транскрипты обоих генов присутствуют во всех органах. Уровень транскриптов SlNCED1 в ~4–6 раз выше уровня транскриптов SlNCED2; пик активности SlNCED1 приходится на поздние стадии созревания, SlNCED2 – на начальный этап. Спелые плоды характеризуются наибольшей суммой каротиноидов; ликопин обнаружен только в плодах поздних стадий у красноплодных сортов, наибольшее содержание β-каротина – в спелых плодах желтоплодного сорта. Предшественник абсцизовой кислоты, виолаксантин, присутствует только в незрелом плоде; другой предшественник, неоксантин, убывает по мере созревания и на стадии спелости отсутствует. У красноплодных сортов обнаружена взаимосвязь уровня транскриптов SlNCED1 и SlNCED2 с содержанием β-каротина. Полученные данные предполагают совместное участие SlNCED1 и SlNCED2 в биосинтезе абсцизовой кислоты в процессе развития и созревания плода томата. При этом ключевая роль принадлежит гену SlNCED1, пик активности которого приходится на этап смены окраски плода. Более низкие уровни транскриптов SlNCED2 и его пик активности на ранних стадиях развития плода предполагает разделение функций NCED между двумя ферментами.

В настоящее время микроводоросли и цианобактерии привлекают к себе внимание исследователей как потенциальные продуценты различных ценных веществ. Для увеличения рентабельности биотехнологических процессов с использованием этих организмов необходим отбор высокоэффективных штаммов и выбор оптимальных условий для их роста и максимальной продуктивности. Оптимизация роста должна производиться, с одной стороны, в интенсивных условиях, максимально близких к масштабному культивированию, а с другой стороны – в небольших объемах, чтобы иметь возможность параллельно проверять множество разных параметров с минимальными затратами. В данной работе мы представляем описание и характеристики сконструированной нами лабораторной системы для интенсивного культивирования (LSIC – Laboratory System for Intensive Cultivation) с термо-, свето- и газорегулированием и возможностью культивирования в 4 повторностях в 8 разных условиях, отличающихся по свету, температуре и концентрации CO₂. Также в качестве примера представлены результаты ряда экспериментов с использованием установки.

Исследована регуляция глутаматдегидрогеназы ‒ фермента, принимающего участие как в азотном, так и в углеродном метаболизме, а также осуществляющего связь между циклом трикарбоновых кислот и шунтом γ-аминомасляной кислоты. Обнаружено, что индуцируемые дефицитом кислорода изменения в активности глутаматдегидрогеназы в листьях кукурузы (Zea mays L.) заключаются в увеличении ее каталитической активности более чем в 2 раза. Методом ПЦР в реальном времени изучена дифференциальная экспрессия генов GDH1 и GDH2, которые в геноме кукурузы кодируют β- и α- субъединицы глутаматдегидрогеназы соответственно. Снижение относительного уровня транскриптов гена GDH2 сопровождалось увеличением экспрессионной активности гена GDH1. Это, в свою очередь, предположительно, способствовало протеканию реакции аминирования 2-оксоглутарата. В составе промотора гена GDH2 обнаружено наличие двух CpG-островков размером 404 и 383 п.н. Промотор гена GDH1 не содержит ни одного СpG-островка, однако, в его составе нами было обнаружено 38% сайтов СpNpG и CpNpN от общего числа исследуемых динуклеотидов. Для оценки влияния степени метилирования отдельных CpG-динуклеотидов, входящих в состав промоторных областей генов GDH1 и GDH2 на их экспрессию в гипоксических условиях, был произведен сравнительный анализ динамики транскрипционной активности генов β- и α- субъединиц глутаматдегидрогеназы от метильного статуса их промоторов. Обратно-пропорциональный характер наложения изменений в профиле метилирования промоторов генов GDH1 и GDH2 и трансформации уровня экспрессии этих генов показывает их корреляцию. Данные, полученные в результате проведения метил-специфичной ПЦР, свидетельствуют о том, что повышение доли метилированных CpG-динуклеотидов приводит к снижению количества мРНК гена GDH2, в то время как уменьшение этой величины для гена GDH1 вызывает индукцию его функционирования. Метилирование промоторных областей генов глутаматдегидрогеназы регулирует их транскрипционную активность в листьях кукурузы in vivo в условиях дефицита кислорода. Таким образом, немногочисленные данные о молекулярных механизмах регуляции синтеза изоферментов глутаматдегидрогеназы были дополнены получением новых результатов о роли степени метилирования промоторов генов GDH1 и GDH2 глутаматдегидрогеназы в их дифференциальной экспрессии при адаптации кукурузы к гипоксии.