|
|
Главная / Наш факультет / Кафедры / Кафедра ФБР
|
Группа «Физиология стресса и адаптации растений» |
Состав: проф., д.б.н. Чиркова Т.В., доц., к.б.н. Емельянов В.В., н.с., к.б.н. Ласточкин В.В., аспирант Приказюк Г.Е., студенты Бертова А.Д., Мосина А.А., Шиков А.Е.
Кафедра физиологии и биохимии растений СПбГУ является одним из первых научных центров, где в начале 1960-х годов под руководством профессора С.В.Солдатенкова были начаты исследования особенностей обмена веществ растений в условиях недостатка кислорода. Эти работы были продолжены его ученицей Т.В.Чирковой в направлении изучения физиолого-биохимических механизмов адаптации растений к гипо- и аноксии.
В 1986 году под ее руководством на кафедре была создана научно-исследовательская группа «Физиология стресса и адаптации растений». В работе группы принимают участие студенты, аспиранты и сотрудники кафедры. В группе защищены 3 докторских, 11 кандидатских и более 80 студенческих работ (дипломных, выпускных квалификационных бакалавра и магистерских). Опубликовано 225 научных работ, в том числе несколько монографий. Исследования механизмов адаптации проводятся группой преимущественно на двух модельных объектах: проростках пшеницы и риса, контрастных по устойчивости к недостатку кислорода. Кроме того, для изучения конкретных механизмов гормональной регуляции активно привлекаются мутантные и трансгенные растения резуховидки и табака, а для проведения эколого-физиологических исследований – представители дикорастущей гидро- и гелофитной флоры. Эксперименты по изучению механизмов перцепции и трансдукции анаэробного сигнала проводятся на клеточном уровне: на протопластах и клеточных культурах. Члены группы владеют современными методами физиологического, биохимического, молекулярно-биологического и микроскопического анализа растительного материала.
В результате многолетних исследований влияния недостатка или отсутствия кислорода на особенности дыхания, фотосинтеза, белкового, липидного, гормонального обменов впервые предложена и экспериментально обоснована оригинальная концепция физиолого-биохимических основ адаптации растений к гипо- и аноксии, что представляет собой существенный вклад в разработку общей теории стресса у растений. Она базируется на представлении о том, что длительная устойчивость определяется сформированной в процессе эволюции способностью растений к координации метаболических защитных реакций с помощью комплекса систем регуляции на организменном, межклеточном, и внутриклеточном уровнях. Было установлено также, что растения, устойчивые к гипо- и аноксии, способны лучше противостоять также и окислительному пост-аноксическому стрессу.
|
Рис.1. Схема путей приспособления растений к гипо- и аноксии (Чиркова, 1988, 1998, 2002).
|
Показано, что для устойчивых растений характерна меньшая интенсивность ростовых процессов. Удлинение корней останавливается под действием анаэробиоза у всех растений, а побегов – только у неустойчивых. Изучение зон роста корня обнаружило меньшую чувствительность к аноксии процесса деления клеток по сравнению с растяжением. В анаэробной среде выявлены различия в сдвигах гормонального баланса у растений, контрастных по устойчивости к кислородной недостаточности: продемонстрировано преобладание абсцизовой кислоты у чувствительного растения и индолилуксусной – у устойчивых. Такие изменения гормонального статуса вызывают остановку роста у неприспособленных растений, тогда как накопление ауксина в надземной части проростков устойчивого риса позволяет сохранять ее рост, а в корнях, наоборот, ингибирует его.
|
В настоящее время активно изучается роль так называемых “новых” гормонов растений (полиаминов, брассиностероидов, салици- ловой и жасмоновой кислот) в регуляции адаптационных процессов растений при дефиците кислорода и последующей ре-аэрации. В работе группы большое внимание уделено исследованию окислительного стресса, возникающего сразу после выхода растений из анаэробной среды в условия аэрации, и, в частности, роли деструктивных окислительных реакций и защитных антиоксидантных систем.
|
Рис.2. Фотографии традиционных экспериментальных объектов – проростков риса (слева) и пшеницы (справа).
|
Впервые показано, что под влиянием аноксии и особенно в пост-аноксический период происходит снижение содержания восстановленных форм низкомолекулярных антиоксидантов (аскорбиновой кислоты, глутатиона, каротина) и возрастание их окисленных форм. Сделан принципиальный вывод о том, что снижение уровня восстановленных форм антиоксидантов может служить одним из возможных редокс-сигналов аноксического повреждения тканей, подвергнутых затем и окислительному стрессу. Преобладание прооксидантов над антиоксидантами свидетельствует о переходе от аноксического к окислительному стрессу. Более того, соотношение прооксидантов и антиоксидантов может лежать в основе внутриклеточной редокс-регуляции и восприятия уровня кислорода. Изучение продукции активных форм кислорода (супероксидный анион-радикал, пероксид водорода), а также комплекса антиоксидантных ферментов (гваякол-пероксидаза, аскорбатпероксидаза, глутатион-пероксидаза, каталаза) впервые позволило доказать, что растения, устойчивые к кислородной недостаточности, способны эффективно противостоять и окислительному стрессу именно благодаря хорошо работающей антиоксидантной системе.
В последнее время группой активно разрабатываются и способы восприятия и передачи гипо- и аноксических сигналов в растительной клетке, темы почти не изученной, но совершенно необходимой для понимания механизмов адаптации растений к гипо- и аноксии Результаты исследования начальных этапов трансдукции анаэробного сигнала показало большую интенсивность его у устойчивого растения по сравнению с неустойчивым. Аккумуляция важнейшего участника процесса трансдукции – ионов цитоплазматического кальция под действием аноксии в протопластах из проростков риса была также больше, чем в протопластах пшеницы, и происходила за счет участия как внутриклеточных, так и внеклеточных депо ионов кальция. Недавно получены данные о том, что активные формы кислорода в субтоксических концентрациях также могут участвовать в трансдукции анаэробного сигнала у растений, однако работ в этом направлении почти нет. В связи с этим в настоящее время проводятся эксперименты по получению культуры клеток риса и пшеницы, синтезирующих генетически кодируемые флуоресцентные внутриклеточные белковые сенсоры для измерения уровня активных форм кислорода и ионов кальция. Подобран оптимальный состав питательных сред для индукции каллусообразования и получены каллусные культуры риса и пшеницы. Каллусная культура пшеницы переведена в суспензионную культуру для выполнения дальнейших экспериментов по получению трансгенных клеточных линий. Для создания трансгенных клеточных линий пшеницы и риса было апробировано несколько методов агробактериальной трансформации, среди которых был выбран наиболее оптимальный. С помощью данного метода были получены трансгенные каллусы риса и пшеницы, селекцию которых проводили на среде, содержащей канамицин. После завершения этапа первичной селекции трансгенная природа полученных каллусов была подтверждена с помощью ПЦР-анализа.
Особый интерес вызывает изучение механизмов адаптации растений на современном системно-биологическом (т.н. «омном») уровне с целью изучения изменения работы всего генома растения (транскриптома), всей совокупности белков растения (протеома), пула метаболитов (метаболома) и солей (ионома) под действием дефицита кислорода и последующего окислительного стресса.
|
Рис.3. Микрофотографии протопластов, полученных из побегов риса (сверху) и пшеницы (снизу), загруженных Ca-чувствительным флуоресцентным красителем Fura2-AM. Слева – протопласты в проходящем свете, справа – флуоресценция (возбуждение при 436 нм, эмиссия – при 510-550 нм). Масштабная линейка – 20 мкм (Yemelyanov et al., 2011).
|
Основные темы исследований, предлагаемые студентам и аспирантам для работы в группе «Физиология стресса и адаптации растений»:
- Окислительные процессы в растениях в условиях аноксии и последующего окислительного стресса.
- Молекулярные механизмы антиоксидантной защиты растений в условиях недостатка кислорода и постаноксии.
- Трансдукция аноксического сигнала в растительных клетках.
- Вторичный обмен растений в условиях аноксии и последующего окислительного стресса.
|
- Метаболизм гормонов в растениях пшеницы и риса в условиях дефицита кислорода и последующего окислительного стресса (АБК, ИУК, полиамины).
- Исследование транскриптома растений в условиях аноксии и последующего окислительного стресса.
- Исследование протеома растений в условиях аноксии и последующего окислительного стресса.
- Метаболомное профилирование растений в условиях дефицита кислорода и последующего окислительного стресса.
- Метаболомное профилирование растений-гидрофитов Санкт-Петербурга и Ленинградской области.
- Метаболомное профилирование высших растений приливно-отливной зоны (литорали) Белого моря.
- Метаболомное профилирование многоклеточных водорослей Белого моря.
- Скрининг устойчивых к недостатку кислорода форм. сельскохозяйственных растений.
Сотрудничество с другими научными организациями:
Группа проводит комплексные научные исследования в сотрудничестве как с другими подразделениями СПбГУ, так и с научными учреждениями Санкт-Петербурга (Ботанический институт РАН), России (Казанский институт биохимии и биофизики РАН, Институт биохимии и генетики Уфимского НЦ РАН) и зарубежных стран (кафедра физиологии растений университета Хельсинки, кафедра ботаники Стокгольмского университета и кафедра физиологии растений технического университета Ахена).
|
С университетом Хельсинки (Helsinki University, Department of Biosiences, Division of Plant physiology – Ass. Prof. Fagerstedt K.V., Dr. Blokhina O.B.) в течение ряда лет проводятся совместные исследования по проблеме анаэробиоза в рамках международного договора между университетами Санкт-Петербурга и Хельсинки. В университете Хельсинки проводили экспериментальные работы аспиранты кафедры Блохина О.Б. и Куличихин К.Ю., на основании которых были защищены кандидатские диссертации.
Совместная работа со Шведским сельскохозяйственным университетом в Упсале (Swedish Agricultural University, Department of Plant Biology and Forest Genetics (Uppsala), Prof. Lindberg S.), а затем со Стокгольмским университетом (University of Stockholm,
|
Рис.4. Фотографии каллусов, полученных из проросших зерновок риса.
|
Department of Botany, Prof. Lindberg S.), проводилась доцентом Емельяновым В.В. по теме «Трансдукция аноксического сигнала растительными клетками». Проект финансировался Шведским институтом и Министерством образования и науки РФ. На протопластах клеток пшеницы и риса показано участие ионов кальция и калия в трансдукции анаэробного сигнала. Совместную работу с Университетом Западной Австралии (School of Biomedical, Biomolecular and Chemical Sciences, Faculty of Life and Physical Science, The University of Western Australia) проводил аспирант Куличихин К.Ю. Экспериментальные данные оформлены в виде статьи, опубликованной в J. of Exp. Botany, 2009.
В 2010 г. доцентом Емельяновым В.В. проведена совместная работа с кафедрой физиологии растений Технического университета г. Ахена, Германия (Rheinisch-Westfalische technische Hochschule Aachen, Institut fur Biologie III, Pflanzenphysiologie). В результате ее изучен эндогенный уровень салициловой кислоты в растениях пшеницы и риса в условиях аэрации, аноксии и последующей реаэрации. Работа финансировалась DAAD и Министерством образования и науки РФ. На основании полученных результатов готовится к публикации статья.
Научная работа группы «Физиология стресса и адаптации растений» неоднократно поддерживалась грантами различных отечественных и международных организаций. Научные сотрудники, аспиранты и студенты регулярно получают гранты для молодых учёных правительства Санкт-Петербурга. Участие сотрудников группы в международных симпозиумах также неоднократно поддерживалось отечественными и зарубежными фондами. В настоящее время работа финансируется грантом Министерства образования и науки в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (ГК 2010-1.3.2-203-002-008). Члены группы «Физиология адаптации растений» состоят в Санкт-Петербургском обществе естествоиспытателей природы, Скандинавском и Всероссийском Обществах физиологов растений, Федерации Европейских обществ биологов растений и Международном обществе по анаэробиозу растений.
Основные публикации:
-
Чиркова Т.В. Роль клеточных мембран в устойчивости растений к недостатку кислорода // Успехи соврем. биол. 1983. Т. 95. №1. С. 44-56.
-
Чиркова Т.В. Пути адаптации растений к гипоксии и аноксии. Л., Изд-во Ленингр. ун-та. 1988. 244 с.
-
Чиркова Т.В. О путях приспособления растений к гипоксии и аноксии. // Физиология растений. 1988. Т. 35. №2. С. 393-411.
-
Чиркова Т.В., Жукова Т.М. Способ оценки устойчивости растений к недостатку кислорода. Авт. Свид-во на изобретение, № 1565403. Бюлл.№19.1990.
-
Чиркова Т.В. Клеточные мембраны и устойчивость растений к стрессовым воздействиям. // Соросовский Образовательный Журнал. 1997. №9. С. 12-17.
-
Чиркова Т.В., Иванова Т.И., Маслов Ю.И., Магомедов И.М. и др. Практикум по фотосинтезу и дыханию растений. Учеб. пособие / Под ред. В.В.Полевого и Т.В.Чирковой. СПб., Изд-во С-Петербург. ун-та. 1997. 162 с.
-
Чиркова Т.В. Растение и анаэробиоз. // Вестник СП6ГУ.1998. Сер. З. Вып. 2 (№10). С. 41-52.
-
Чиркова Т.В., Новицкая Л.О., Блохина О.Б. Перекисное окисление липидов и активность антиоксидантных систем при аноксии у растений с разной устойчивостью к недостатку кислорода. //Физиология растений. 1998. Т. 45. №1. С. 65-73.
-
Чиркова Т.В., Войцековская С.А. Синтез белка в растениях в условиях гипо- и аноксии. // Успехи современной биологии. 1999. Т. 119. №2. С. 178-189.
-
Blokhina O.B., Fagerstedt K.V., Chirkova T.V. Relationships between lipid peroxidation and anoxia tolerance in a range of species during post-anoxic reaeration. // Physiologia Plantarum. 1999. V. 105. P. 625-632. https://doi.org/10.1034/j.1399-3054.1999.105405.x
-
Blokhina O.B., Virolainen E., Fagerstedt K.V., Hoikkala A., Wahala K., Chirkova T.V. Antioxidant status of anoxia-tolerant and -intolerant plant species under anоxia and reaeration. // Physiologia Plantarum. 2000. V. 109. P. 396-403. https://doi.org/10.1034/j.1399-3054.2000.100405.x
-
Полевой В.В., Чиркова Т.В., Лутова Л.А. и др. Практикум по росту и устойчивости растений. Учеб. пособие / Под ред. В.В.Полевого и Т.В.Чирковой. СПб., Изд-во С.-Петерб. ун-та. 2001. 212 с.
-
Blokhina O.B., Chirkova T.V ., Fagerstedt K.V. Anoxic stress leads to hydrogen peroxide formation in plant cells. // Journal of Experimental Botany. 2001. V. 52. P. 1179-1190. https://doi.org/10.1093/jexbot/52.359.1179
-
Семихатова О.А., Чиркова Т.В. Физиология дыхания растений. Учеб. пособие. СПб. Изд-во С.-Петерб. ун-та. 2001. 224 с.
-
Чиркова Т.В. Физиологические основы устойчивости растений. Учеб. пособие. СПб. Изд-во С.-Петерб. ун-та. 2002. 244 с.
-
Емельянов В.В., Кирчихина Н.А., Ласточкин В.В., Чиркова Т.В. Гормональный баланс проростков пшеницы и риса в условиях аноксии. // Физиология растений. 2003. Т. 50. С. 922-929. [Emel’yanov V.V., Kirchikhina N.A., Lastochkin V.V., Chirkova T.V. Hormonal status in wheat and rice seedlings under anoxia // Russian Journal of Plant Physiology. 2003. Vol. 50, No. 6. P. 827-834. https://doi.org/10.1023/B:RUPP.0000003282.26789.6b]
-
Kulichikhin K.Yu., Olli A., Chirkova T.V., Fagerstedt K.V. Effect of oxygen concentration in intercellular pH, glucose-6-phosphate and NTP content in rice (Oryza sativa) and wheat (Triticum aestivum) root tips: in vivo 31P-NMR study. // Physiologia Plantarum. 2007. V. 129. P. 507- 518. https://doi.org/10.1111/j.1399-3054.2006.00819.x
-
Kulichikhin K.Yu., Chirkova T.V., Fagerstedt K.V. Intracellular pH in rice and wheat root tips under hypoxic and anoxic conditions. // Plant Signaling аnd Behaviour. 2008. V. 3. P. 240-242. https://doi.org/10.4161/psb.3.4.5151
-
Куличихин К.Ю., Чиркова Т.В., Фагерстедт К.В. Активность ферментов биохимического рН-стата в кончиках корней злаков в условиях кислородной недостаточности. // Физиология растений. 2009. Т. 56. №3. С. 418-430. [Kulichikhin K.Y., Chirkova T.V., Fagerstedt K.V. Activity of biochemical pH-stat enzymes in cereal root tips under oxygen deficiency // Russian Journal of Plant Physiology. 2009. Vol. 56, No. 3. P. 377-388. https://doi.org/10.1134/S102144370903011X].
-
Kulichikhin K.Yu., Greenway H., Byrne L., Colmer T.D. Regulation of intracellular pH during anoxia in rice coleoptiles in acidic and near neutral conditions. // Journal of Experimental Botany. V. 80. P. 2110-2128. https://doi.org/10.1093/jxb/erp090
-
Yemelyanov V.V., Shishova M.F., Chirkova T.V., Lindberg S.M. Anoxia-induced elevation of cytosolic Ca2+ concentration depends on different Ca2+ sources in rice and wheat protoplasts. // Planta. 2011. DOI: 10.1007/s00425-011-1396-x (online first, 20.03.2011). https://doi.org/10.1007/s00425-011-1396-x.
-
Lindberg S., Kader A., Yemelyanov V. Calcium signaling in plant cells under environmental stress // Plant adaptations and stress tolerance of plants in the era of climate change / eds.: P. Ahmad, M.N.V. Prasad. Springer. 2012. P. 325-360. https://doi.org/10.1007/978-1-4614-0815-4_15.
-
Yemelyanov V.V., Shishova M.F. The role of phytohormones in the control of plant adaptation to oxygen depletion // Phytohormones and abiotic stress tolerance in plants / eds.: N.A. Khan, R. Nazar, A. Iqbal, N.A. Anjum. Springer. 2012. P. 229-248. https://doi.org/10.1007/978-3-642-25829-9_10.
-
Chirkova T., Yemelyanov V. The study of plant adaptation to oxygen deficiency in Saint Petersburg University // Biological Communications. 2018. Vol. 63, No. 1. P. 17-31. https://doi.org/10.21638/spbu03.2018.104
|
Состав группы «Физиология стресса и адаптации растений» в 2007 г.
Слева направо: студ. Арешева О.М., проф. Чиркова Т.В., студ. Шикова К.К., студ. Жминько О.С., доц. Емельянов В.В.
|
Состав группы в 2011 г.
Слева направо, верхний ряд: студ. Ма Г., доц. Емельянов В.В., н.с. Ласточкин В.В., нижний ряд: асп. Злотина М.М., проф. Чиркова Т.В.
|
|
|
|
|
|
199034, Санкт-Петербург,
Университетская наб. 7/9
Тел.: + 7 (812) 328-96-95
Заведующий кафедрой
д.б.н., проф. Сергей Семенович Медведев
e-mail:
|
s.medvedev@spbu.ru
|
Секретарь
к.б.н., доц. Наталия Глебовна Осмоловская
e-mail:
|
n.osmolovskaya@spbu.ru
|
|
|