Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В России активно развивается тепличное выращивание овощей и зеленных культур. Осуществляется переход от люминистцентных ламп к светодиодным (LED), поскольку они менее энергозатратны. Активное развитие технологии в закрытом грунте потребовало большого количества электроэнергии. Современные теплицы потребляют примерно 1,6-1,8 МВт электрической на один гектар площади, что составляет до 30% себестоимости продукции. Однако LED генерируют узкополосный свет, далекий по спектральным характеристикам от солнечного света. Поэтому подбор спектров светодиодных источников является важной задачей. При этом, надо избежать понижения пищевой ценности выращиваемых растений, определяемой как содержание витаминов, макро- и микроэлементов, флавоноидов, антоцианов и эфирных масел. Для повышения стрессоустойчивости растений в работу введено изучение сигнальных путей, регулирующих световую сигнализацию и стрессоустойчивость. Для проведения экспериментов использовали светильники, которые генерировали световое излучение в диапазоне длин волн 390-740 нм. В каждом отдельном модуле источника расположены 24 светодиода (по 4 шт каждого типа на 6 дорожках), которые закрепляли на плате из алюминиевого сплава. Общая потребляемая мощность светодиодов составила 72 Вт. Светодиоды шести дорожек имели следующие спектры излучения в заданном диапазоне: Deep Pink (400-800 нм); ультрафиолетовый (389-401 нм); синий (450-475 нм); красный (620-630 нм); инфракрасный (720-740 нм); белый (4700-5300 К). При подаче на светодиоды управляющего тока источник выдает шесть основных спектров и их комбинации. Наличие драйверов DS-EUM-075S105DG позволило осуществлять регуляцию интенсивности освещения. Вся плата со светодиодами и внутренняя поверхность каналов источника омывается жидким теплоносителем. В таком варианте конструкция источника позволяет поддерживать работоспособность светодиодов без перегрева источника не менее 50 тыс. часов. Для создания одинакового уровня освещенности подбирали мощность излучения каждого светильника с помощью 33 световых драйверов. Написаны рекомендации по изготовлению источников света с расширенным диапазоном излучаемых длин волн в синей области от 390 до 490 нм, зеленой от 500 до 540 нм, красной от 600 до750 нм. Сконструированные боксы: FS – соответствует наиболее часто используемым в теплицах источникам светодиодного освещения. RGB, излучение которого по спектральному составу наиболее близко к излучению солнца в дневные часы. SB, который является моделью спектра диффузно-рассеянного солнечного излучения. Доля красного/зеленого/синего спектров в источниках света составила (в процентах): 26% : 41%: 33% для SB, 32% : 19%: 3.1% для RGB, – 27% : 11% : 62% для FS и 14% : 48% : 38% для контроля (WW). Плотность фотосинтетического потока фотонов (PPFD) была установлена на уровне 45 мкмоль/м2 с во всех боксах. Проведены исследования на растениях рукколы (Eruca sativa) и базилика (Ocimum basilicum), культивируемых в грунте, а также микрорастений картофеля (Solanum tuberosum). культивиремого in vitro на агаровых питательных средах. Для зеленных культур установлено, что несмотря на некоторые различия, обусловленные видоспецифическими характеристиками, в разных группах наиболее благоприятными для выращивания были условия SB-RGB и SB-FS. В этих режимах удалось стимулировать как накопление зеленой биомассы, так и развитие полноценной корневой системы. Хорошие показатели роста также демонстрировали растения бокса RGB. При этом растения не снизили содержание аскорбиновой кислоты, макроэлементов и флавоноидов. Искусственный солнечный спектр SB был наиболее подходящим источником света для микроразмножения картофеля среди других изученных источников. Он способствовал развитию проростков с более высоким ростом, более длинными междоузлиями, большой площадью листьев и содержанием хророфилла, а также хорошо развитыми корнями. Для решения задачи по поиску оптимальных и предельных уровней интенсивности света, излучаемых монохромными источниками внутри диапазона 390–750 нм, был проведен эксперимент по влиянию интенсивности в диапазоне от 100 до 600 мкмоль/с м2. При сравнении трех спектров (синий, красный и зеленый) разной интенсивности облучения показано, что микрорастения, культивированные при использовании синего света отличались наименьшими значениями высоты и длины междоузлий по сравнению с микрорастениями, выращенными под красным и зеленым светом. Неожиданным был результат, показывающий, что хорошо развитые растения были получены при высоких интенсивностях света (свыше 300 мкмоль/с м2) при каждом из трех спектров. Ранее считалось, что повышение интенсивности освещения свыше 300 мкмоль/с м2 подавляет развитие растений. К примеру, зеленый свет считался непригодным для освещения растений в теплицах. Однако повышение интенсивности зеленого света от 2 до 12,5 раз положительно повлияло на развитие микрорастений. Максимально возможные интенсивности так и не были установлены в этом эксперименте, поскольку освещение свыше 600 мкмоль/с м2 приводит к перегреву растений. Проведен биоинформационный анализ взаимодействия световой сигнальной системы с сигнальной системой стрессового гормона абсцизовой кислоты (ABA) В интерактоме арабидопсиса обнаружены следующие белки, соединяющие обе сигнальные системы: HOS1, HY5, ABI5, LHY, CCA1, FCA, STH2, Dl19, и DELLA белки - GAI, RGL1 и RGA1. Сконструировали световой термостатируемый блок для исследования экстремальных световых нагрузок. Эти исследования проводили на арабидопсисе с плотностью фотосинтетического потока фотонов (PPFD) белого света на уровне 80 мкмоль/м2с в контроле, и 1200 мкмоль/м2 с в опыте. Показано, что перенастройка системы генерации и детоксификации АФК в растениях арабидопсиса при интенсивном освещении после холодовой экспозиции заключается в ограничении выработки АФК с соответствующим уменьшением окислительного взрыва и нормализации экспрессии антиоксидантных генов. Согласно заявке, в работу были взяты растения HOS1Cas9 с нокаутом гена HOS1. Показано, что мутация HOS1Cas9 увеличивает уровень активных форм кислорода (АФК) в растениях арабидопсиса без каких либо стрессовых воздействий до определенного предела, а затем сдерживает окислительный взрыв при световом стрессе; обуславливает НАДФH-оксидаза-независимый механизм генерации АФК, по сравнению с холодом и интенсивным светом; уменьшает адаптивный эффект холодового стресса на последующий световой стресс; не влияет на экспрессию RbohD и RbohF, но активирует гены каталазы, Apx3 и CSD1 при холодовом воздействии. Однако, если холодовое воздействие сопровождалось световым стрессом, то мутация HOS1Cas9 снижала экспрессию генов каталазы, Apx1, Apx3 и CSD1 ниже контрольных уровней.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На микрорастениях картофеля показано, что обучение монохромным светом, синим (440 нм), либо зеленым (520 нм) или красным (660 нм) сверхвысокой интенсивности 1400 мкмоль/с*м2, растения подвергаются острому световому стрессу и полностью останавливают развитие. Нормальная ростовая интенсивность света составляла 60 мкмоль/с*м2. Однако, если чередовать монохромные цвета в процессе развития микрорастений картофеля, то растения могут выдерживать высокую световую нагрузку и развиваться. Лучшие показатели были достигнуты при сочетании таких «бинарных» источников, как синий затем красный, зеленый затем красный и зеленый затем синий. Исследование влияния различных узкополосных и широкополосных светодиодных источников на развитие соматических эмбриоидов сои показало, что лучшим оказался свет FS (красный + синий, который соответствует наиболее часто используемым в теплицах источникам светодиодного освещения). Монохроматические источники, а также комбинированные источники, такие как RGB, излучение которого по спектральному составу наиболее близко к излучению солнца в дневные часы и SB, который является моделью спектра диффузно-рассеянного солнечного излучения, преимуществ не имели. Установлено, что плейотропный регулятор развития растений HOS1 не только регулирует холодовую адаптацию, но и вовлечен в регуляцию экспрессии множества генов из световой сигнальной сети. Наиболее интересным был эффект активации экспрессии одного из ключевых генов световой сигнальной системы, HY5, при выращивании hos1Cas9 растений при пониженной температуре. Мутация hos1Cas9 умеренно повышала уровни внутриклеточных активных форм кислорода (АФК) независимо от интенсивности света. Однако в условиях холода мутация hos1 вызвала обратный эффект. АФК накапливались преимущественно в цитоплазме вдоль плазматической мембраны, а также в ядре и хлоропластах, и мутация hos1 не влияла на внутриклеточное распределение АФК. Когда растения предварительно подвергали действию холода и затем подвергали воздействию сильного освещения, экспрессия генов НАДФН-оксидазы RbohD и RbohF повышалась в растениях hos1Cas9, но не в контроле (WT). В условиях холода экспрессия генов аскорбатпероксидазы Apx1 и Apx2 у растений WT была почти на базовом уровне, тогда как у мутантных растений она была активирована. Наши данные показывают, что HOS1 играет роль в регуляции про- и антиоксидантных генов и в установлении гомеостаза ROS. Данные протеомного эксперимента показывают, что мутация hos1Cas9 перенаправляет поток энергии и метаболитов на антистрессовые реакции и вторичный метаболизм, но при этом ферменты первичного метаболизма ингибируются. Содержание флавоноидов было повышено в 1,2-4,2 раза у трех разных линий растений hos1, и этот эффект был в основном связан с увеличением содержания производных кемпферола. Подготовлена обзорная статья, описывающая основные сигнальные модули, объединяющие световую сигнальную систему с сигнальной системой стрессового гормона абсцизовая кислота (ABA). Понимание взаимодействия таких систем является важной задачей для биоинженерии, поскольку возможность манипулировать спектральными характеристиками с помощью светодиодных источников поможет сочетать контроль роста и устойчивость к стрессу. Сделан акцент на следующих вопросах. ABI5 остается основным белком, связывающим ABA и световую сигнализацию. Недавние исследования добавили новый уровень сложности к процессам, опосредованным взаимодействием HY5-ABI5, поскольку сам HY5 находится под сложным контролем. Были добавлены новые модули, такие как DET1 ―‖ FHY3 → ABI5 и DET1 / COP1 → PIF4 → ABI5, и теперь необходим новый взгляд, чтобы оценить общую картину влияния компонентов световой сигнализации на передачу сигналов ABA, опосредованную через ABI5. Влияние протеинкиназ SnRK2s на систему световой сигнализации является важной новой темой. А также взаимодействие рецепторов ABA с PIFs, поскольку эта тема напрямую связывает раннюю передачу сигналов ABA со световой сигнализацией. Области исследований, которые сосредоточены на изучении метаболизма и передачи сигналов активных форм кислорода (АФК), поскольку все больше и больше данных указывают на роль АФК в связи ABA-light. Важна последовательность передачи сигналов FCA → ABI5 → FLC и SnRK2s → ABI5 / ABI4 → FLC, потому что система регуляции цветения FCA/FLC в настоящее время интенсивно исследуется, и FCA/FLC влияют на передачу сигналов ABA, а передача сигналов ABA влияет на FCA/FLC. Сам по себе FLC значительно снижает потребление воды растениями, потому что он связывается с множеством генов-мишеней, участвующих в реакции на нехватку воды. В свою очередь, FCA регулирует функцию многих генов, участвующих в адаптации к стресс-индуцированным АФК, жаре, холоду и засухе посредством FLC и ABI5, а также регулирует функцию защитных генов посредством модификации хроматина. Модификации хроматина, поскольку многие компоненты передачи сигналов ABA и компоненты световой передачи находятся под контролем модификаторов хроматина. В настоящее время ABI5 является единственным известным регулятором, объединяющим пересечение сигналов ABA и света в процессе холодовой адаптации растений.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Eruca sativa (руккола) — пищевая культура, содержащая ценные биологически активные флавоноиды. Испытывались: Теплый белый (W), монохромные источники красного (R), синего (B) и зеленого (G); бинарные источники света: красный/зеленый (RG), синий/зеленый (BG) и красный/синий (RB). Большинство вариантов искусственного освещения с высокой интенсивностью 1000 мкмоль м-2с-1 (кроме теплого белого света) приводили к почти 20-кратному увеличению продуктивности флавонолов. Монохроматические источники не имели преимуществ перед белым светом с точки зрения повышения продуктивности антоцианов. Однако RB-свет увеличил содержание антоцианов и продуктивность растений E. sativa более чем в десять раз по сравнению с белым светом. Рост растений на монохроматических и бинарных источниках высокой интенсивности был сравним с ростом на белом свете. В целом, наши данные показывают, что варьируя спектральными характеристиками светодиодных источников, и особенно используя бинарные источники света, можно добиться значительного увеличения содержания ценных биологически активных веществ. Предполагалось, что стойкость растений к высокоинтенсивному бинарному освещению, и гораздо меньшая стойкость аналогичных по интенсивности монохроматических источников может быть обусловлена тем, что бинарные источники света вызывают более активное функционирование пути ПАО/филлобилина (PAO/phyllobilin pathway), таким образом устраняя фототоксичность при распаде хлорофилла. В растениях рукколы обнаружены два продукта распада хлорофилла - филлобилины NCC_630 (также известный как At-NCC-2) и катаболит диоксобилинового типа DNCC_618 (также известный как At-NDCC-1). Поскольку первой линией защиты от чрезмерного количества АФК являются неферментативные механизмы удаления АФК, которые включают такие поглотители, как каротиноиды и флавоноиды, мы заключили, что эти вещества являются частью защитных механизмов, индуцированных сильным светом в растениях рукколы. Некоторый вклад может вносить и ПАО/филлобилиновый путь, поскольку монохроматический и бинарный свет (особенно BG1000, синий/зеленый) приводил к увеличению общего содержания филлобилина, в то время как сильный белый свет нет. Предполагалось, что совмещение сигналов сильного света светодиодного источника с холодоустойчивостью происходит посредством регуляторного модуля, включающего интегральный регулятор развития растений и температурной информации - HOS1. С использованием протеомного и биоинформационного подхода на модели арабидопсиса показано, что HOS1 предотвращает сверхиндукцию защитных механизмов, чтобы сбалансировать рост как в условиях холода, так и в условиях холода и интенсивного освещения. HOS1 необходим для поддержания гомеостаза активных форм кислорода (АФК) в условиях холода и интенсивного света. Проведение сигнала может быть объяснено следующей моделью: HOS1 индуцирует экспрессию FLC, ослабляя эффект FVE путем взаимодействия с гистоновой деацетилазой 6. В этой связке FVE необходим для HOS1-опосредованной активации транскрипции FLC. Связь цветения с холодовой устойчивостью обусловлена тем, что активируется модуль холодоустойчивости CBF/DREB-COR посредством модуля FLC-SOC1-CBF. Независимая от цветения холодоустойчивость обеспечивается модулем HOS1-ICE1-CBF. Далее, активированный CBF/DREB активирует PIF3 с сопутствующей активацией антиоксидантной защиты посредством модуля PIF1/PIF3-HY5. PIF4 сам по себе также имеет большой круг температуро- и АФК-чувствительных мишеней, и будучи ингибированным посредством HOS1, может быть вовлечен в HOS1-опосредованные механизмы. В целом, HOS1 является одним из важных регуляторов световой сигнальной системы и холодоустойчивости. Victor P Bulgakov, Olga G Koren. Basic Protein Modules Combining Abscisic Acid and Light Signaling in Arabidopsis. Front Plant Sci. 2022 Jan 3;12:808960. doi: 10.3389/fpls.2021.808960. Впервые показано, что биосинтез отдельных классов вторичных метаболитов может активироваться в культурах каллусов, выращиваемых в темноте, а затем подвергнутых монохромному освещению, либо освещению белым светом, генерируемому светодиодными лампами. Наиболее значительное увеличение содержания ценных биологически активных веществ - каффеоилхинных кислот - отмечено в вариантах с интенсивным теплым белым светом (белые светодиодные лампы с максимумами излучения при 581 нм и 448 нм), а также синим (440 нм) и голубым светом (460 нм) для культур каллусов Cynara cardunculus и Scorzonera radiata. Достигнуты высокие показатели биосинтетической активности этих вторичных метаболитов в течение долговременного культивирования. Это особенно важно в связи с продолжающимся поиском эффективных средств для борьбы с ожирением и другими метаболическими нарушениями, а также активностью дикаффеоилхинных кислот в улучшении когнитивных функций при нейродегенеративных заболеваниях.