Масштабное отчуждение сельскохозяйственных земель, их загрязнение ионами тяжелых металлов (ТМ), и как следствие, снижение урожайности и продуктивности растений – глобальные проблемы, которые необходимо решать для устойчивого развития биосферы и человечества. Распространение тяжелых металлов в среде и засоление – это неизбежный результат производства самых разных товаров бытового и производственного назначения. Концентрации поллютантов особенно высоки в местах добычи руд, металлургических производств, сельскохозяйственного производства. На загрязненных грунтах таких территорий растения вынуждены приспосабливаться к стрессорам.
При действии стрессоров в растении происходит образование АФК, что приводит к развитию окислительного взрыва. Длительное действие стрессора может сопровождаться подавлением роста растений и нарушением их жизненного цикла вследствие перераспределения ресурсов на образование компонентов антиоксидантной защиты, таких как антиоксидантное ферменты b низкомолекулярные антиоксиданты.
Наряду с активацией антиоксидантных систем одним из механизмов акклимации растений к избытку поллютантов в среде является их иммобилизация в клеточных стенках растений. Клеточная стенка (КС) – сложный компартмент растительной клетки, благодаря катионно-обменным свойствам способен связывать и ограничивать транспорт ионов, в том числе, ТМ, что приводит к снижению их концентрации в надземных частях растений. Таким образом, КС может выполнять в растении барьерные функции.
В ответ на действие неблагоприятных факторов внешней среды во многих растениях стимулируется биосинтез фенолов как антиоксидантов и предщественников лигнина. Эти реакции являются следствием изменения экспрессии генов PAL, C4H, 4CL и др. (Qingquan, 2018). Считается, что отложение лигнина повышает толерантность растений к ТМ за счет ограничения их подвижности в апопласте (Zeng, 2016).
Таким образом, понимание регуляции процесса лигнификации как приспособления растений к стрессовым воздействиям на разных уровнях от молекулярного (изменение экспрессии генов, кодирующих ферменты фенилпропаноидного пути) до морфофизиологического (биосинтеза лигнина в разных тканях и органах) остается актуальной научной задачей.
Цели исследования – изучение физиолого-биохимических, молекулярно-генетических и анатомо-морфологических (лигнификации клеточных стенок) механизмов устойчивости растений табака и циннии в условиях стресса, вызванного ионами меди засолением.
Задачи:
1. Определить уровень стресса в тканях корня и побега растений в условиях избытка ионов меди в среде и при засолении.
2. Оценить содержание фенолов, количество и композицию лигнина в растениях при стрессе.
3. Определить уровень экспрессии генов, кодирующих ферменты раннего этапа фенилпропаноидного пути метаболизма (ФП) и биосинтеза лигнина.
4. Выявить роль белков трансфакторов (ТФ), участвующих в ФП и синтеза лигнина в условиях стресса и на этапе восстановления растений.
Методологической основой исследования будет комплексный подход к изучению роли лигнификации и ее регуляции в условиях абиотического стресса у растений, предусматривающий гистохимические, физиолого-биохимические и молекулярно-генетические методы исследований. Будет определено содержание маркеров окислительного стресса, активность ферментов антиоксидантной защиты, их локализация в тканях корня и побега, лигнификация КС, уровень экспрессии генов, кодирующих ферменты фенилпропаноидного пути и биосинтеза лигнина, а также генов ТФ, регулирующих эти процессы.
Научная новизна планируемого исследования. Впервые в длительном эксперименте будет изучена лигнификация тканей корня и стебля модельных растений цинии и табака в условиях действия стрессовых факторов – ионов меди и засоления. Впервые будет показано изменение экспрессии генов, кодирующих ферменты биосинтеза фенолов и лигнина (PAL, C4H, 4CL, LAC, PRX), а также белков-трансфакторов (ERF1, ERF2, MYB1 и MYB2), участвующих в регуляции экспрессии указанных генов в условиях стресса, вызванного избытком ионов меди в среде или засолением. Впервые будет определена локализация ферментов антиоксидантной защиты в разновозрастных тканях корня и стебля модельных растений, дана характеристика физиолого-биохимического статуса растений в условиях стресса и в период восстановления после стресса. Будут установлены коррелятивные связи между экспрессией генов, количеством лигнина, фенолов, и маркерами стресса у растений.
Ожидаемые результаты:
В 2022 году:
Будут изучены ростовые и анатомические характеристики корня и стебля модельных растений; будут выявлены те из них, которые могут рассматриваться в качестве маркеров стресса и ответных реакций на стресс, вызванный абиотическими факторами.
Будет проведено количественное определение содержания лигнина в тканях растений, показана его гистохимическая локализация, что позволит оценить роль лигнификации как защитного механизма, формирующего барьер транспорту поллютантов при стрессе.
Будет определено общее содержание фенольных соединений в органах растений в норме и при стрессе.
Будет выявлена гистохимическая локализация пероксидаз III класса, определена их тотальная активность, количество и активность изоформ в разных органах в норме и при стрессе.
Будет проведена статистическая обработка материалов исследования с целью поиска корреляций между активностью пероксидаз III класса, содержанием лигнина и фенолов, ростом растений при действии абиотических стрессоров.
В 2023 году:
Будет определено содержание и количество продуктов фенилпропаноидного пути.
Будет выполнен анализ экспрессии генов, кодирующих ферменты фенилпропаноидного пути и трансфакторы семейства ERF и MYB, участвующие в регуляции экспрессии генов биосинтеза лигнина и его предшественников. Будет проведен сравнительный анализ содержания фенолов и лигнина в тканях и экспрессии отдельных генов, кодирующих ферменты фенилпропаноидного пути.
На основе проведенного анализа будут выявлены гены-маркеры устойчивости растений к действию абиотических факторов среды, таких как ионы ТМ и засоление.
Будет определено содержание ионов меди в тканях корней, стебля и побега растений, рассчитаны корреляции между лигнификацией, содержанием фенолов, активностью пероксидаз и количеством ионов меди.
Будет проведена статистическая обработка материалов исследования, предложена модель регуляции лигнификации тканей растений при стрессе.