Новые механизмы регуляции автофагии, роста и солеустойчивости: изучение и использование для повышения солеустойчивости ячменя

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 проекта 18-16-00074

НазваниеНовые механизмы регуляции автофагии, роста и солеустойчивости: изучение и использование для повышения солеустойчивости ячменя

Руководитель Тютерева Елена Владимировна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Ботанический институт им. В.Л. Комарова Российской академии наук , г Санкт-Петербург

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

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

Ключевые слова Автофагия, запрограммированная клеточная гибель, цитоплазматический калий, калиевый канал GORK, засоление, рост, фитохромы, жасмонат, Arabidopsis, ячмень, устьичная регуляция, тканеспецифичные промоторы, стабильная трансформация, CRISPR/Cas9

Код ГРНТИ34.17.09

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Активация у растений механизмов ответа на стресс любого рода сопровождается остановкой и замедлением роста, а при длительном стрессовом воздействии приводит к изменению морфологии растения. Для сельскохозяйственно ценных культур это, как правило, негативно сказывается на урожае. До настоящего времени считалось, что остановка роста связана с перераспределением ресурсов растения – как правило, в форме ассимилятов – от продукции новой биомассы растущих органов в русло использования для энергообеспечения механизмов детоксикации и других процессов, активирующихся в ответ на стресс. Однако, в последнее время появились исследования, которые убедительно показывают, что остановка роста и запуск механизмов борьбы со стрессом представляют собой две отдельные генетические программы, которые функционируют в тесной связи, но тем не менее могут быть полностью разобщены у мутантов по соответствующим ключевым регуляторам этих программ (Campos et al. Rewiring of jasmonate and phytochrome B signalling uncouples plant growth–defense tradeoffs. Nat Commun. 2016; 7: 12570). Такие мутанты Arabidopsis thaliana в условиях стресса демонстрируют повышенную стрессоустойчивость и сильный рост, сравнимый либо превосходящий (видимо, за счет трансгрессивных эффектов) дикий тип. В цитируемой работе жасмоновая кислота выступает индуктором стрессового ответа, а фитохром В отвечает за остановку роста при активации жасмонатного сигналинга. Настоящий проект базируется на результатах исследований, проведенных в рамках двух поддержанных РНФ проектов (№14-16-00120 и №15-14-30008), где нами был охарактеризован новый потенциальный регулятор запуска ката- vs. ана-болических программ – локализованный в плазматической мембране клеток корня и замыкающих клеток устьиц наружу-выпрямляющий калиевый канал GORK, предположительно представляющий собой сенсор активных форм кислорода (Demidchik et al., рукопись в подготовке). Мутанты Arabidopsis, лишенные данного канала, в стрессовых условиях демонстрировали улучшенную выживаемость за счет снижения индукции запрограммированной клеточной гибели (ЗКГ; Demidchik et al. 2010) и автофагии (Demidchik, Tyutereva, Voitsekhovskaja, 2017), а также продолжали рост (Demidchik et al., рукопись в подготовке). Примечательно, что канал GORK является единственным местом утечки цитоплазматического калия из клеток корня Arabidopsis и злаков (Shabala, Cuin, 2008; Velarde-Buendía et al., 2013). По нашим данным (Demidchik et al., 2010; результаты проекта РНФ №15-14-30008) именно потеря клеткой калия является критическим триггером, активирующим автофагию и ЗКГ в условиях абиотического стресса, в том числе при засолении. В то же время известно, что истощение растений по калию вызывает активацию нескольких групп генов, но наиболее сильный ответ демонстрируют гены, регулируемые жасмонатом (Armengaud et al. 2004). Именно эти гены отвечают за остановку роста и индукцию стрессоустойчивости у Arabidopsis (Valezuela et al., 2014) и ячменя (Ahmad et al., 2016), при этом наиболее охарактеризована роль жасмоната в индукции устойчивости к некротрофным патогенам, а также к засолению. Последние исследования показали, что для жасмонат-зависимой остановки роста и изменений морфогенеза корней и побегов критически необходимо наличие другого ключевого регулятора роста и развития растений – фитохрома B, причем как в корнях, так и в побегах (Costigan et al., 2011); соответственно, мутанты Arabidopsis и томата, лишенные фитохрома B, демонстрировали высокий рост в условиях солевого стресса (Chen et al., 2013, Gavassi et al., 2017). В проекте планируется детально исследовать недавно выявленную (нашими и литературными данные) взаимосвязь ключевых регуляторных событий, имеющих место при ряде стрессовых воздействий - GORK-зависимой потери калия, индукции автофагии и ЗКГ, активации жасмонат-зависимых генов стрессового ответа, изменений роста и морфогенеза - на модели солевого стресса как наиболее изученной и наиболее актуальной с практической точки зрения, а также выявить регуляторное действие фитохрома В на эту цепочку событий. В качестве модельного объекта будут использованы растения Arabidopsis и ячменя, поскольку ведущая роль канала GORK в устойчивости к засолению охарактеризована наиболее полно для ячменя по сравнению с другими ключевыми для сельского хозяйства культурами (Shabala, Cuin, 2008; Adem et al., 2014). Далее, на модели растений ячменя, несущих мутацию chlorina f2 3613 и обладающих измененной экспрессией фитохромов (результаты проекта РНФ №14-16-00120; Тютерева и др., рукопись в подготовке) будет изучен механизм, обусловливающий ускоренное по сравнению с диким типом прорастание этих мутантов на среде, содержащей 100 мМ NaCl, согласно предварительным результатам. Наконец, мы планируем получить и исследовать мутанты-нокауты по каналу GORK, не экспрессирующие этот ген в клетках корня, но сохраняющие его экспрессию в клетках устьиц за счет комплементации нативным каналом GORK под промотором гена StKST1, специфично экспрессирующегося в устьицах у ряда однодольных и двудольных растений (Mueller-Roeber et al., 1995; Kelly et al., 2017). Предположительно такие растения будут высокоустойчивы к солевому стрессу за счет оптимизации стрессовых ответов корня при сохранении интакной устьичной регуляции. В проекте будут комплементированы мутанты gork1-1 Arabidopsis, а с помощью системы нокаутирования генов CRISPR/Cas9 планируется получение нокаутов ячменя по единственной копии гена GORK ячменя (BAK07979.1 в базе данных Genbank) с целью их дальнейшей устьично-специфичной комплементации каналом GORK. Анализ растений нокаутов будет проведен при помощи техники пэтч-кламп. Также при помощи электрофизиологических подходов будут протестированы линии ячменя с различной солеустойчивостью, что даст важнейшую информацию и функциональных перестройках GORK при выработки устойчивости к засолению. Чтобы определить, может ли потеря калия цитоплазмой клеток при солевом стрессе играть роль в увеличении смертности также и у клеток растений, эволюционно не обладающих калиевыми каналами GORK-типа, в проекте будет использоваться культура высокопродуктивного штамма зеленой водоросли Haematococcus pluvialis. H. pluvialis является крупнейшим мировым продуцентом астаксантина, однако, наиболее распространенный метод индукции биосинтеза этого вещества – подвергание водорослей солевому стрессу – связан с большими потерями биомассы из-за резкого увеличения клеточной гибели в этих условиях. Научная новизна проекта высока, поскольку он базируется на самых новых данных, полученных в том числе коллективом исполнителей. Высокая актуальность проекта для сельского хозяйства обусловлена, во-первых, широким распространением засоленных почв в мире (около 30% обрабатываемых земель); во-вторых, неуклонным увеличением площади почв, обедненных калием, в связи с усиленным выносом калия при получении высоких урожаев; в-третьих, предложенный подход пока что не исследован с точки зрения его потенциала для сельского хозяйства. Подход состоит в том, что для сельскохозяйственных культур, выращиваемых в условиях относительной стабильности светового и водного режима и регулярной обработки защитными средствами против патогенов, отключение ряда генетических программ, необходимых растениям в дикой природе для обеспечения максимально широкого спектра ответов на меняющиеся условия внешней среды, в особенности программ, связанных с остановкой роста и клеточной гибелью, может привести к получению сортов, способных давать высокий урожай в условиях стресса.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Тютерева Е. В., Рабаданова К. К., Добрякова К.С., Демидчик В.В., Войцеховская О.В. Роль автофагии в стрессовых ответах растений Труды XIV Съезда Русского ботанического общества и конференции «Ботаника в современном мире» (г. Махачкала, 18-23 июня 2018 г.), Т. 3: Споровые растения. Микология. Структурная ботаника. Физиология и биохимия растений. Эмбриология растений. – Махачкала: АЛЕФ, 2018. С. 343-345. (год публикации - 2018)

2. Рабаданова К.К, Тютерева Е.В., Демидчик В.В., Войцеховская О.В. Роль калия в регуляции TOR-киназы при стресс-индуцированной автофагии у Arabidopsis thaliana Материалы IV (XII) Международной ботанической конференции молодых учёных в Санкт-Петербурге 22–28 апреля 2018 года, СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». C. 180. (год публикации - 2018)

3. Рабаданова К. К., Тютерева Е. В., Демидчик В. В., Войцеховская О.В. Исследование индукции автофагии при стрессе: роль калия в регуляции TOR-киназы у Arabidopsis thaliana Труды XIV Съезда Русского ботанического общества и конференции «Ботаника в современном мире» (г. Махачкала, 18-23 июня 2018 г.)., Т. 3: Споровые растения. Микология. Структурная ботаника. Физиология и биохимия растений. Эмбриология растений. – Махачкала: АЛЕФ, 2018. С. 325-326 (год публикации - 2018)

4. Муртузова А.В. Рабаданова К.К. Добрякова К.С., Тютерева Е.В., Войцеховская О.В. Роль калия в регуляции конститутивной и стресс-индуцированной автофагии у растений IX Съезд общества физиологов растений России «Физиология растений – основа создания растений будущего» (Казань, 18–24 сентября 2019 г.): тезисы докладов., С. 299 (год публикации - 2019)
10.26907/978-5-00130-204-9-2019

5. Тютерева Е.В., Рабаданова К.К., Добрякова К.С., Муртузова А.В., Войцеховская О.В. Регуляция автофагического потока в условиях солевого стресса IX Съезд общества физиологов растений России «Физиология растений – основа создания растений будущего» (Казань, 18–24 сентября 2019 г.): тезисы докладов., С. 444 (год публикации - 2019)
10.26907/978-5-00130-204-9-2019

6. Жарова Д.А., Евкайкина А.И., Болдина О.Н., Войцеховская О.В., Тютерева Е.В. Изучение роли автофагии в стрессоустойчивости и активации биосинтеза астаксантина у микроводоросли Haematococcus pluvialis IX Съезд общества физиологов растений России «Физиология растений – основа создания растений будущего» (Казань, 18–24 сентября 2019 г.): тезисы докладов., С. 169 (год публикации - 2019)
10.26907/978-5-00130-204-9-2019

7. Тютерева Е.В., Рабаданова К.К., Муртузова А.В., Добрякова К.С., Войцеховская О.В. Potassium and glucose as putative signals regulating processes in shoots and roots 10th International Conference “Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability-2019” in honor of Kimiyuki Satoh, Tingyun Kuang, Cesare Marchetti, and Anthony Larkum (Saint-Petersburg, June 23-28, 2019), С. 161 (год публикации - 2019)

8. Рабаданова К.К., Муртузова А.В., Добрякова К.С., Аполлонов В.И., Котылевский П.С., Войцеховская О.В., Тютерева Е.В. TOR kinase and GORK channels in sensing of cellular potassium levels during induction of autophagy in Arabidopsis and barley 10th International Conference “Photosynthesis and Hydrogen Energy Research for Sustainability-2019” in honor of Kimiyuki Satoh, Tingyun Kuang, Cesare Marchetti, and Anthony Larkum”, С. 164 (год публикации - 2019)

9. Добрякова К.С., Войцеховская О.В. Молекулярные аспекты врожденного неспецифического иммунитета Hordeum vulgare L. Экологическая генетика (год публикации - 2020)

10. Войцеховская О.В., Аполлонов В.И., Муртузова А.В., Рабаданова К.К., Черныш М.А., Беляева А.И., Ковалева О.Н., Дроздова И.В., Лоскутов И.Г., Павловски К., Демидчик В.В., Тютерева Е.В. Root to shoot signaling: analysis of the role of potassium channels using chlorophyll a fluorescence transients Photosynthetica (год публикации - 2020)

11. Рабаданова К.К., Тютерева Е.В., Муртузова А.В., Добрякова К.С., Войцеховская О.В. Potassium deficiency inhibits TOR via SnRK1 in Arabidopsis thaliana, leading to aggregation of autophagosomes and alkalinization of lytic vacuoles Autophagy (год публикации - 2020)

12. Клионский Д., ..., Тютерева Е.В., ... Войцеховская О.В., ... Guidelines for the Use and Interpretation of Assays for Monitoring Autophagy (4th edition) Autophagy (год публикации - 2021)

13. Жарова Д.А., Иванова А.Н., Дроздова И.В., Беляева А.И., Болдина О.Н., Войцеховская О.В., Тютерева Е.В. AZD8055, an inhibitor of TOR kinase, reveals a role of autophagy in Haematococcus pluvialis cell growth under salinity Plants (год публикации - 2021)

Публикации