Том 70, № 4 (2023)

В условиях эскалации климатических угроз во всем мире растет необходимость разработки новых стратегий повышения стрессоустойчивости растений. Инновационные подходы в этом направлении предоставляют нанотехнологии, обеспечивающие производство разнообразных наноматериалов (НМ). К ним относят структуры размером менее 100 нм, обладающие уникальными физическими и химическими свойствами. Благодаря этому НМ способны проникать через биологические барьеры и накапливаться в клетках растений. Эффекты НМ на растительный организм могут быть как позитивными, так и негативными в зависимости от химической природы, размеров и концентраций НМ, объекта исследования и условий среды. Многие НМ в определенной концентрации способны регулировать практически все процессы в растительном организме: рост, водный обмен, активность фотосинтетического аппарата и про-/антиоксидантный баланс. Это позволяет предполагать возможность использования некоторых НМ как адаптогенов, усиливающих стрессоустойчивость растений. В настоящем обзоре представлен сравнительный анализ экспериментальных данных об использовании НМ в физиологии растений и сельском хозяйстве для защиты растений от действия неблагоприятных низких и высоких температур. Обсуждаются возможные механизмы действия НМ на растения, а также стратегия их дальнейшего использования в фундаментальной науке и сельском хозяйстве.

Томат (Solanum lycopersicum L.) является важной агрокультурой и, благодаря существованию дикорастущих родственных видов (Solanum секция Lycopersicon), моделью для изучения развития сочного плода. В работе был проведен анализ экспрессии генов унипортеров сахаров SWEET1а, 1b, 1e, 3, 7a, 10a, 12c, 14 и 15 у видов и сортов томата. Для сорта Heinz (S. lycopersicum) выявлены гены, наиболее активные в корнях (SWEET1e, 3, 10а и 12c), листьях (SWEET 1a, 1e, 3, 10а и 12c) и цветках (SWEET1а, 1b, 7а, 10a, 12с, 14 и 15). Рост плода сопровождается повышением уровня транскриптов SWEET110a и 12c, созревание плода – SWEET1a и 15. Продемонстрирована дифференциальная экспрессия SWEET1a, 1b, 12c и 15 в спелом плоде инбредных линий от скрещивания S. lycopersicum сорт М82 × S. pennellii. ПЦР-РВ анализ показал, что общим для спелого плода анализируемых видов томата является экспрессия генов SWEET1а и 12c, а для видов S. pennellii, S. habrochaites и S. cheesmaniae – SWEET1b и 10a. Определено, что соотношение фруктоза : глюкоза эквимолярно у образцов, за исключением сортов Black Jack и White Beauty (фруктоза : глюкоза ≥ 1.10). Корреляций между уровнем транскриптов генов SWEET и соотношением гексоз не выявлено.

Изучено влияние экзогенного Са²⁺ на дыхание, генерацию мембранного потенциала, изменение объема и проницаемость для протонов внутренней мембраны митохондрий, выделенных из семядолей этиолированных проростков люпина узколистного (Lupinus angustifolius L.). Используемые в работе митохондрии характеризовались прочным сопряжением процессов окисления и фосфорилирования. Высокая функциональная активность митохондрий подтверждалась их способностью генерировать при окислении сукцината трансмембранный градиент протонов на внутренней мембране (мембранный потенциал или ∆Ψ), а также устойчиво поддерживать его в течение длительного времени, как за счет работы электрон-транспортной цепи, так и за счет гидролиза АТФ в условиях анаэробиоза. Показано, что присутствие 60–120 мкМ СаСl₂ в среде инкубации митохондрий не оказывало существенного влияния на скорость окисления сукцината и параметры окислительного фосфорилирования, однако индуцировало диссипацию ∆Ψ в условиях исчерпания кислорода в среде инкубации. Максимально полное удаление Са²⁺ из среды в присутствии хелаторов (ЭГТА, ЭДТА) предотвращало сброс мембранного потенциала. Са²⁺-зависимая деполяризация внутренней мембраны ингибировалась дитиотрейтолом, что предполагает участие в этом процессе активных форм кислорода. Сброс мембранного потенциала не сопровождался набуханием митохондрий и не был чувствителен к циклоспорину А. С использованием металлохромного Са²⁺-индикатора арсеназо III, было показано, что митохондрии семядолей люпина способны активно поглощать экзогенный Са²⁺ и накапливать его в матриксе. Са²⁺-индуцируемая диссипация ∆Ψ в условиях анаэробиоза сопровождалась выходом Са²⁺ из митохондрий, скорость которого резко возрастала в присутствии кальциевого ионофора А23 (А23187). Предполагается, что накопление Са²⁺ и повышение уровня активных форм кислорода в матриксе, индуцирует в условиях анаэробиоза обратимую пермеабилизацию внутренней мембраны митохондрий семядолей люпина, которая обусловлена открытием поры неспецифической проницаемости в состоянии низкой проводимости, проницаемой для протонов и, возможно, для других небольших катионов (Na⁺, K⁺, Ca²⁺).

Получены каллусные культуры in vitro цикория обыкновенного (Cichorium intybus L.) и исследованы их ростовые и биохимические особенности в зависимости от гормонального состава МС-среды и спектрального состава света. Изучение влияния светокультуры на формирование каллусной ткани и накопление в ней инулина проводили в светонепроницаемых гроутентах с излучением выровненным по плотности потока фотосинтетических фотонов и различным соотношением его уровней в области 660 нм (R – красный) и 730 нм (FR – дальний красный). Контрольный вариант размещали под белыми линейно-люминесцентными лампами. Полученные культуры характеризовались высокой пролиферативной активностью и способностью к морфогенезу. Установлено, что взаимодействие двух факторов – присутствие в составе питательной среды ауксинов (ИУК или НУК в концентрации 7.5 мг/л в сочетании с БАП 0.5 мг/л) и культивирование в условиях светокультуры (FR > R, FR = R, FR < R) – оказало существенное влияние на биосинтетический потенциал культур клеток. В полученных культурах проведено исследование количественного содержания инулина. Показано, что высокое содержание инулина (7.55–7.95%) в каллусных культурах было характерно при выращивании на МС-среде в сочетании с ИУК при режиме освещения FR > R. Вероятно, это обусловлено тем, что именно в этих условиях формировалась хорошо пролиферирующая и высокоморфогенная каллусная ткань. Полученные результаты подтверждают выдвинутую гипотезу о специфичности культивируемых клеток in vitro синтезировать и накапливать вторичные метаболиты в дедиффенцированных клетках и зависимости этого процесса от факторов химической и физической природы.

Берберин соединение с широким спектром биологической активности, синтезируется в культуре клеток лекарственного растения Thalictrum minus. Исследовали влияние абиотического элиситора (Cu²⁺) на рост культуры клеток Thalictrum minus и биосинтез в ней протобербериновых алкалоидов на разных стадиях ростового цикла. Оценивали быструю реакцию (через 2 ч) и продолжительную (в конце ростового цикла). Наибольший эффект по увеличению протобербериновых алкалоидов наблюдали после воздействия (Cu²⁺) 20, 25 мг/л в 0 день через 2 ч, на 49 и 114% выше контроля, соответственно, при сохранении роста на уровне контроля. К концу ростового цикла масса клеток и содержание протобербериновых алкалоидов снижались на 67–70 и 27–53%, соответственно (токсичный эффект). При 5 мг/л (Cu²⁺), реакция была противоположная. Через 2 ч наблюдали стимуляцию роста на 48% и снижение содержания протобербериновых алкалоидов на 48% по отношению к контролю. К концу ростового цикла сохранялось превышение роста на 50%, а содержание протобербериновых алкалоидов повышалось на 60% по отношению к контролю. Если воздействие Cu²⁺ проводили в середине ростового цикла, при концентрации 20, 25 мг/л, как при быстрой реакции (через 2 ч), так и к концу ростового цикла, происходило снижение роста на 65–71% и содержания протобербериновых алкалоидов на 52–70%. При 5 мг/л ионов меди сохранялось превышение роста на 50–54%, содержание алкалоидов оставалось на уровне контроля. Реакция при 10 мг/л ионов Cu²⁺ была промежуточной. Проведенные исследования показали перспективность применения низких концентраций ионов меди для культуры клеток Thalictrum minus. Содержание протобербериновых алкалоидов повышалось на фоне стимуляции роста культуры клеток в конце ростового цикла.

Arabidopsis thaliana (L.) Heynh является одним из важнейших модельных организмов в различных областях науки: физиологии и биохимии растений, биологии развития, генетической инженерии, геномном редактировании и в других. Преимущества этих модельных растений: короткий жизненный цикл, простота культивирования, секвенированный и достаточно хорошо аннотированный геном, множество доступных данных о транскриптоме, протеоме, метаболических путях, мутациях. Культивирование A. thaliana в лабораторных условиях – важный аспект многих исследований в случае использования этого растения как модели. Выбор способа выращивания зависит от цели исследования, количества и типа необходимого биоматериала. Целью данной работы является обзор методов культивирования растений A. thaliana и их применимость для различных исследований.

В данной лекции представлены классические сведения и новые данные о молекулярных событиях “базового” (core) клеточного цикла (КЦ) растений. Кратко рассмотрено влияние водного дефицита, CO₂, света и температуры на КЦ. Представлены данные о регуляции пролиферации клеток ауксинами, цитокининами, абсцизовой кислотой, гиббереллинами, брассиностероидами и этиленом. Обсуждаются закономерности и особенности влияния фитогормонов на КЦ в разных органах и тканях.