КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 20-16-00016

НазваниеИсследование воздействия мультиспектрального динамического освещения на отклик световой сигнальной системы растений

РуководительБулгаков Виктор Павлович, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения Российской академии наук, Приморский край

Годы выполнения при поддержке РНФ 2020 - 2022 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-104 - Агробиотехнологии

Ключевые словаРастения, фотосинтез, светодиодные источники излучения, теплицы, интенсивность света, рост растений, интеллектуальное динамическое управление, морфогенез, онтогенез, спектр, качество света.

Код ГРНТИ34.31.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Свет регулирует многие процессы роста, дифференциации в клетках и тканях и органогенез в растениях. Управляя параметрами и характеристиками света, можно влиять на эффективность процесса роста растений и запасания ими полезных веществ. Основными характеристиками света при управлении процессом морфогенеза считают спектральный состав, интенсивность, суточную и сезонную динамику. Учет потребностей растений в определенном спектральном составе света необходим при правильном подборе источников искусственного освещения. Но до сих пор нет ответа на такие вопросы, что происходит с белковым и гормональным обменом под влиянием различного освещения. Какие спектры нужны для различных стадий онтогенеза и почему? В растении имеется множество фоторецепторов имеющих пики поглощения на разных длинах волн. Лучшим световым решением в мире считаются светильники AP673L и NS1 финской компании Valoya. Спектры этих светильников похожи на солнечный спектр, но они имеют глубокой провал в диапазоне длин волн 480-560 нм. Разработанный в 2018 году в ИАПУ ДВО РАН светильник для теплиц, имитирует солнечный свет в диапазоне длин волн 400 – 730 нм, имеет 10 независимых каналов управления группами светодиодов. Точность воспроизведения солнечного спектра составляет 3%. Он превосходит зарубежные аналоги по качеству излучаемого света и по массо - габаритным характеристикам. В рамках данного проекта его предполагается оснастить системой динамического управления параметрами излучения. Вопросы формирования откликов растений в результате экспрессии разных генов под воздействием света плохо изучены. Мы предполагаем, что изучение сигнальных путей позволит открыть новые возможности для световового управления морфогенезом растений. Это предположение основано на анализе литературы и наших исследований по влиянию света разного спектрального состава на морфогенез растений. Наши эксперименты показали, что для достижения максимального эффекта развития растений требуется использовать излучение разной интенсивности и разного спектрального состава на разных стадиях онтогенеза. Это важно для успешного выращивания культурных и сельскохозяйственных растений, например, при содержании оранжерей и теплиц. В проекте мы будем выявлять реакцию растений на разные сочетания экстремально высоких интенсивностей узкополосного света и белковые модули, отвечающие за трансдукцию световой энергии. Будет проведено исследование морфологии растений в различные периоды онтогенеза при таком облучении и биохимический отклик с исследованием изменения содержания биологически активных веществ, в частности винаминов и флавоноидов, включая антоцианы. Наши исследования расширят знания в понимании интенсификации продукционного процесса под влиянием различного освещения и позволят точнее определить параметры светового воздействия для различных стадий онтогенеза. Эти исследования находятся сейчас в фокусе внимания мировой сельскохозяйственной науки. Конкретные задачи проекта: 1. Создание управляемых светильников, способных излучать узкополосное и широкополосное излучение в различных временных и спектральных сочетаниях с интенсивностями, вплоть до экстремально допустимых на разных стадиях онтогенеза растений. 2. Выявление регуляторных механизмов и сигнальных каскадов в растительной клетке, отвечающих за воздействие освещения с экстремальным уровнем интенсивности и разным спектром. Изучению подлежат компонентны сигнальных путей в треугольнике: свет - абсцизовая кислота (ABA) - активные формы кислорода (ROS): PIF-HY5 сигнальный модуль, путь PhyB-HY5→ABI5→ Rboh, ABA-ассоциированный модуль OST1-HOS1-ICE1, BIN2-модуль как основной во взаимодействи сигналов брассикостероидов и ABA в ответ на оксидативный стресс. 3. Поиск оптимальных и предельных (когда фоторецепторы испытывают сильную перегрузку) уровней интенсивности света, излучаемых монохромными источниками, внутри диапазона 390-750 нм. 4. Оценка синхронного и асинхронного динамического воздействия нескольких управляемых узкополосных источников света, в том числе с экстремальным уровнем интенсивности на морфогенез растений в сравнении с их одиночным применением.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены новые знания по функционированию фитохромной сигнальной системы, взаимодействию фоторецепторов с мультиспектральным динамическим освещением, откликом световой сигнальной системы растений, находящихся на разных стадиях онтогенеза на экстремальные уровни интенсивности и интеграции светового сигнала. Будет разработана концепция взаимодействия световых сигнальных путей. Будут выявлены взаимодействия разных фоторецепторов и нижележащих белковых модулей. Будет разработан подход к систематическому описанию центральных сигнальных компонентов и белковых модулей, которые совместно регулируют процессы морфогенеза растений, опираясь на тот или иной спектральный состав облучения. Будут получены биохимические анализы образцов биомассы выбранных сортов зеленных культур на разных стадиях онтогенеза, полученных в условиях динамического освещения различными спектрами. Будет создана база данных количественных и качественных характеристик исследуемых культур, полученных под воздействием динамической комбинации разных спектров излучения в диапазоне длин волн 390-750нм. Понимание процессов происходящих при контролируемом внешнем воздействии светового излучения определенного спектра позволит разработать основы технологии управляемой вегетации зеленных культур. В проекте будет решаться несколько новых практических вопросов, а именно: исследование увеличения биомассы растений при использовании разных сочетаний чередования облучения узкополосными источниками света на основе светодиодов. Практическое использование запланированных результатов проекта в экономике и социальной сфере может быть в следующих областях применения: • создание новых световых решений, обладающих высоким рыночным потенциалом; • новая технология управления морфогенезом растений с помощью управляемого динамического освещения; • новая технология улучшения потребительских качеств сельскохозяйственных культур и сокращение сроков созревания овощей; • новые фотонные приборы для изменения сроков созревания овощей; • алгоритмы и компьютерные программы управления фотопериодом растений с имитацией их природоподобных сезонных циклов; • создание новых модульных энерго-эффективных технических решений производства светодиодного осветительного оборудования с управляемыми параметрами; • интерфейсы для дистанционного мониторинга и управления онтогенезом растений в реальном времени; • новый класс источников светодиодного освещения с динамическим управлением интенсивностью и спектральным составом освещения в диапазоне длин волн 390-750 нм.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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.

 

Публикации

1. Веремейчик Г.Н., Шкрыль Ю.Н., Горпенченко Т.Ю., Силантьева С.А., Авраменко Т.В., Бродовская Е.В., Булгаков В.П. Inactivation of the auto-inhibitory domain in Arabidopsis AtCPK1 leads to increased salt, cold and heat tolerance in the AtCPK1-transformed Rubia cordifolia L. cell cultures Plant Physiology and Biochemistry, - (год публикации - 2020).


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.

 

Публикации

1. Веремейчик Г.Н., Шкрыль Ю.Н., Силантьева С.А., Горпенченко Т.Ю., Бродовская Е.В., Яцунская М.С., Булгаков В.П. Managing activity and Ca2+ dependence through mutation in the Junction of the AtCPK1 coordinates the salt tolerance in transgenic tobacco plants Plant Physiol Biochem., 165:104-113. (год публикации - 2021).

2. Грищенко О.В., Субботин Е.П., Гафицкая И.В., Верещагина Ю.В., Бурковская Е.В., Хроленко Ю.А., Григорчук В.П., Наконечная О.В., Булгаков В.П., Кульчин Ю.Н. Growth of micropropagated Solanum tuberosum L. plantlets under artificial solar spectrum and different mono- and polychromatic LED lights Horticultural Plant Journal, 28 April 2021 (год публикации - 2021).

3. Кульчин Ю.Н., Булгаков В.П., Субботин Е.П., Гольцова Д.О., Холин А.С., Ляхова Л.П., Субботина Н.И., Гафицкая И.В., Григорчук В.П., Бурковская Е.В., Хроленко Ю.А., Орловская И.Ю., Наконечная О.В. Фотонная регуляция биосинтеза вторичных метаболитов в салате Eruca sativa Вестник ДВО РАН, 4:87-98 (год публикации - 2021).

4. Михеева А.В., Наконечная О.В., Субботин Е.П., Грищенко О.В., Гафицкая И.В., Кульчин Ю.Н. Development of soybean somatic embryos under different light spectra Botanica Pacifica, 10(1):75-78 (год публикации - 2021).