КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 22-24-00421

НазваниеЭндофитные симбионты Herbaspirillum spp. как основа для создания препаратов биоконтроля, увеличивающих продуктивность агрономических культур

РуководительВеличко Наталья Сергеевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Саратовский научный центр Российской академии наук", Саратовская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2023 г.

Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-203 - Общая биохимия

Ключевые словаСимбиоз, Herbaspirillum, растительно-микробные взаимодействия, ответные реакции растений, липополисахарид, О-специфический полисахарид, структура

Код ГРНТИ31.25.15

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение фундаментальных вопросов взаимодействия высших растений с почвенными прокариотами. Основной акцент будет сделан на системное изучение особенностей формирования симбиотических взаимоотношений растений с полезной микрофлорой и ответных реакций растений в интегрированных системах. Традиционно внимание исследователей привлекает поиск экологически безопасных и энергосберегающих подходов для развития устойчивого земледелия. Все большее внимание ученых приковано к созданию биопрепаратов на основе микроорганизмов, стимулирующих рост и урожайность растений. Особый интерес среди них представляют эндофитные бактерии, способные мутуалистически жить внутри растительных тканей, что позволяет им, по сравнению с другими микроорганизмами, в меньшей степени зависеть от внешних факторов среды, проявлять комплекс хозяйственно полезных свойств и активизировать защитные системы растений, что является адекватной и экологически безопасной альтернативой агрохимикатам. Активация защитных систем растений опосредуется продукцией физиологически активных соединений, продуцируемых микроорганизмами. Одними из таких элиситоров являются липополисахариды (ЛПС) внешней мембраной клеточной стенки грамотрицательных бактерий. На данный момент феномен опосредованной регуляции иммунного ответа хозяина продемонстрирован для широкого спектра патогенов, при этом работы по системному изучению механизмов взаимоотношений в системах растение-эндофит и роли ЛПС эндофитных микроорганизмов в индукции защитных реакций у растений представлены фрагментарно, что является одной из основных причин, сдерживающих разработку более эффективной системы защиты растений. Генетический потенциал универсальных бактерий рода Herbaspirillum позволяет использовать их не только в составе биопрепаратов, повышающих рост и урожайность, а также в качестве модельного объекта для изучения механизмов мутуалистических взаимоотношений высших организмов с эндосимбионтами. Исследование характера распределения клеток гербапирилл in planta, механизмов проявления ответных реакций растений в сообществе с эндофитными представителями указанных бактерий на действие стресс-факторов среды, а также структурных особенностей мембранных полисахаридов и их активностью в отношении растений несомненно, является актуальной задачей. Фундаментальная основа для решения этой задачи заключается в понимании принципов формирования и функционирования конкретной растительно-микробной системы. В ходе выполнения проекта будет дана характеристика процесса системной колонизации разных видов культурных растений, определен характер их ответа на инокуляцию эндофитными представителями Herbaspirillum spp на стрессовые факторы среды. Будет получена новая, принципиально важная информация о структурных особенностях ЛПС малоизученных в этом отношении грамотрицательных бактерий рода Herbaspirillum. Известно, что вариации в структуре ЛПС могут быть связаны с различными молекулярными механизмами активации иммунологической защиты многоклеточных организмов от инфекционных агентов и их распознавания. Наиболее вариабельной частью молекулы ЛПС является О-специфический полисахарид (ОПС). С применением современных физико-химических методов анализа, включающих MALDI TOF масс-спектрометрию и спектроскопию ЯМР, будет установлена структура повторяющегося звена ОПС, ранее не исследованного в этом отношении штамма гербаспирилл. Будет проведено исследование участия ЛПС гербаспирилл, выделенных и охарактеризованных при выполнении данного проекта, а также в наших более ранних исследованиях, в индукцию защитного ответа растений. Комплексное изучение конкретной симбиотической системы с применением современных методов исследования позволит получить уникальные фундаментальные знания и развить биологические подходы, основанные на растительно-микробных взаимодействиях, для повышения адаптации сельскохозяйственных культур к стрессовым факторам биотической и абиотической природы, что является важным для установления биологического равновесия в агроценозах. Полученная в ходе проекта информация о структуре и биологической активности ЛПС, непосредственно вовлеченных в формирование ассоциаций гербаспирилл с растениями, пополнит приоритетными сведениями информационные базы данных для этой группы бактерий и расширит фундаментальное подкрепление имеющихся представлений о составе и строении поверхностных углеводсодержащих полимеров почвенных грамотрицательных бактерий, а также внесет вклад в понимание процессов формирования ассоциаций и позволит сделать некоторые выводы об участии ЛПС эндофитных бактерий в индукции защитных реакций у растений.

Ожидаемые результаты
Реализация предлагаемого проекта позволит получить экспериментальный материал, который расширит представление о принципах формирования и функционирования конкретной растительно-микробной системы. Будут выявлены ответные реакции растений в сообществе с эндофитными представителями бактерий рода Herbaspirillum на стрессовые факторы среды, а также будет произведена качественная и количественная оценка локализации исследуемых микроорганизмов в тканях растения-хозяина. При этом будут in vitro и in vivo в динамике описаны особенности системной колонизации гербаспирилл внутри растительных тканей. С помощью рекомбинантных gfp- и rfp-маркированных производных будет определена способность двух перспективных видов гербаспирилл, ранее не исследованных в этом отношении, эндофитно существовать в тканях различных культурных растений. Будет проверена антагонистическая активность штаммов бактерий рода Herbaspirillum к фитопатогенным грибам. Для наиболее перспективного представителя будет проведен анализ на устойчивость растений пшеницы к патогенным грибам во время вегетации. В ходе реализации проекта будут получены фундаментальные знания о структурных особенностях липополисахаридов гербаспирилл. Будет установлена структура повторяющегося звена О-специфического полисахарида типового штамма, ранее не изученного в этом отношении. Будет проведено исследование влияния структурно различных липополисахаридов гербапирилл, охарактеризованных нами как в ходе проведения данного проекта, так и ранее, на индукцию ответных реакций различных видов культурных растений: синтез активных форм кислорода, оксида азота, салициловой и жасмоновой кислот. Будет проведено определение динамики изменения концентрации указанных соединений в проростках культурных растений под влиянием выбранных препаратов ЛПС. Для наиболее перспективных, по результатам исследования, для сельского хозяйства штаммов гербаспирилл будет проведена проверка безопасности. Значимость результатов, которые планируется получить в ходе работ по проекту, определяется необходимостью разработки экологически безопасных, высокопродуктивных и конкурентоспособных в адаптивном земледелии биопрепаратов, способных активизировать защитные системы растений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
С применением векторных конструкций получены флуоресцентно окрашенные штаммы H. seropedicae Z78, H. seropedicae Z67, H. lusitanum Р6 12, H. frisingense JCM 21445, H. chlorophenolicum CPW301, показана их пригодность для экспериментов in vivo и in vitro. С использованием генного репортера gfp проведена визуализация колонизации проростков однодольных растений – пшеницы Triticum aestivum L. и двудольных растений фасоли – Phaseolus vulgaris L. двумя видами гербаспирилл (H. lusitanum P6-12 и H. chlorophenolicum CPW301). Впервые для указанных видов показана способность самостоятельно проникать в корни специфичного и неспецифичного хозяина через клетки корневого чехлика, а попав внутрь корней, системно инфицировать прилегающие ткани. Отмечено, что колонизация улучшает ранний рост и продуктивность однодольных и двудольных растений in vitro. Выделены, очищены и охарактеризованы липополисахариды эндофитных стимулирующих рост растений бактерий рода Herbaspirillum, в том числе трех ранее не изученных видов (H. seropedicae Z67, H. lusitanum Р6-12, H. chlorophenolicum CPW301). Проведено исследование влияния структурно различных ЛПС на индукцию ответных реакций на ранней стадии развития проростков однодольных растений – пшеницы Triticum aestivum L. и двудольных растений фасоли – Phaseolus vulgaris L. Отмечено наличие окислительных ферментных систем, обусловливающих способность гербаспирилл к деструкции экотоксикантов, в частности алкилсульфатов. Дана оценка способности выбранных для исследования штаммов к деградации додецилсульфата натрия, как одного из органополютантов, входящих в состав распространенных дезинфицирующих, моющих и чистящих средств. Проанализировано влияние различных физико-химических параметров культивирования бактерий на процесс биодеградации указанного соединения, исследована метаболическая активность бактерий в присутствии различных концентраций экотоксиканта. Предложена сенсорная система для индикации додецилсульфата натрия в водных растворах в короткие сроки без необходимости предварительной обработки образца (https://ru.rt.com/lrct). Относительно высокая оптимальная температура для роста на SDS, демонстрируемая представителями рода Herbaspirillum, подходит для их использования в процессах биоремедиации участков почв, загрязненных SDS.

Публикации

1. Величко Н.С., Багавова А.Р., Бурыгин Г.Л., Баймиев А.Х., Пылаев Т.Е., Федоненко Ю.П. In situ localization and penetration route of an endophytic bacteria into roots of wheat and the common bean Rhizosphere, 23C (2022) 100567 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.rhisph.2022.100567

2. Величко Н.С., Гулий О.И., Каневский М.В., Купряшина М.А., Федоненко Ю.П. Whole-cell electric sensor for determination of sodium dodecyl sulfate World Journal of Microbiology and Biotechnology, 38:118 (2022) (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1007/s11274-022-03309-1

3. - Высокоточный мониторинг: российские учёные создали биосенсор для оценки качества воды RT, 16 июня 2022 (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Отмечен высокий антагонистический потенциал эндофитных представителей рода Herbaspirillum в отношении полевых штаммов мицелиальных грибов рода Fusarium. Выбранные для исследования микроорганизмы практически полностью подавляли рост одного из наиболее вредоносных видов F. сulmorum. Анализ полученных данных позволяет предполагать, что наблюдаемые эффекты опосредованы антифунгальной активностью исследуемых штаммов Herbaspirillum spp., которая в наименьшей степени связана с конкуренцией за питательные ресурсы. Анализ на устойчивость растений пшеницы к патогенным грибам во время вегетации показал снижение заболеваемости пшеницы корневой гнилью, вызванной F. culmorum, при инокуляции H. lusitanum P6-12Т и H. seropedicae Z67Т. В сообществе с исследованными эндофитами у культурных растений повышается устойчивость к стрессам, вызванным различными факторами действием тяжелых металлов, почвенной засухи, натрий-хлоридного засоления. Мы предполагаем, что одним из общих механизмов протекторного эффекта гербаспирилл при действии исследованных стресс-факторов является уменьшение в растительных тканях количества МДА как интегрального показателя уровня перекисного окисления липидов. Обнаружение у исследуемых бактериальных штаммов важных хозяйственно-ценных свойств, таких как антагонизм по отношению к фитопатогенным грибам, ростстимуляция и индукция устойчивости к биогенным стрессам представляет интерес с точки зрения дальнейшего исследования и создания на их основе лабораторных образцов микробных препаратов с возможным последующим внедрением их в практику растениеводства. Активация защитных систем растений опосредуется продукцией физиологически активных соединений, продуцируемых микроорганизмами. Одними из таких элиситоров являются липополисахариды (ЛПС) внешней мембраной клеточной стенки грамотрицательных бактерий и О-специфическими полисахаридами. Тонкие механизмы реализации взаимоотношений гербаспирилл с макрорганизмами изучены недостаточно, их понимание, будет затруднено без сведений о составе и структурах биополимеров, принимающих непосредственное участие в этих процессах. В ходе реализации проекта выделены, очищены и охарактеризованы ЛПС рост-стимулирующих бактерий рода Herbaspirillum. С использованием химических, физико-химических и инструментальных методов анализа, в т.ч. ГЖХ, ЯМР-спектроскопии и МАЛДИ МС получены фундаментальные данные о структурных особенностях ЛПС гербаспирилл. Установлена структура липида А липополисахарида H. lusitanum P6-12Т.

Публикации

1. Величко Н.С. , Кондюрина Н.К., Федоненко Ю.П. Антагонистическая активность некоторых представителей рода Herbaspirillum в отношении фитопатогенных микромицетов ИЗВЕСТИЯ САРАТОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. НОВАЯ СЕРИЯ. СЕРИЯ: ХИМИЯ. БИОЛОГИЯ. ЭКОЛОГИЯ, Т. 23, № 3, 2023, 337-344 стр. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.18500/1816-9775-2023-23-3-337-344

2. Величко Н.С., Кокоулин М.С., Дмитренок П.С., Гринев В.С., Кучур П.Д., Комиссаров А.С., Федоненко Ю.П. Lipopolysaccharides of Herbaspirillum species and their relevance for bacterium–host interactions International Journal of Biological Macromolecules, - (год публикации - 2024)

3. Н.К. Кондюрина, Н.С. Величко Ответные реакции Triticum aestivum l. на обработку липополисахаридом эндофитных видов гербаспирилл ИССЛЕДОВАНИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ В БИОЛОГИИ И ЭКОЛОГИИ - 2023 Сборник научных статей IV Международной научной конференции молодых ученых. Саратов, 2023 Издательство: Общество с ограниченной ответственностью "Амирит" (Саратов), С. 56-57. (год публикации - 2023)

Возможность практического использования результатов
В ходе работы было отобрано 2 перспективных штамма бактерий рода Herbaspirillum, обладающих фунгицидной, ростстимулирующей, протекторной и ферментативной активностью для дальнейшего исследования создания на их основе высокоэффективных микробиологических препаратов для растениеводства.