Лаборатория окислительно-восстановительного метаболизма
Заведующий лабораторией
Минибаева Фарида Вилевна, д.б.н.
тел.: (843)231904
minibayeva@kibb.knc.ru

Тема
«Молекулярные механизмы антиоксидантной защиты растительных клеток». Номер государственной регистрации темы № 01201357062.
Наименование фундаментальных исследований по Программе фундаментальных научных исследований государственных академий на 2013-2020 г.г.
№56 - Физиология и биохимия растений. Фотосинтез. Взаимодействие растений с другими организмами.

Основные направления
1. Метаболизм активных форм кислорода и азота в растениях
2. Стресс-индуцированная аутофагия в растениях
3. Мембранные стерины растений
Наиболее важные достижения лаборатории за 2009-2014 г.г.
1. Проведен аналитический скрининг особенностей и механизмов образования и метаболизма активных форм кислорода (АФК) и азота при абиотическом стрессе в ряде высших и низших растений, а также симбиотических организмах, в частности, в корнях и листьях пшеницы, семенах сельскохозяйственных и дикорастущих растений, бриофитах и различных видах лишайников. Обнаружено, что быстрый редокс-ответ растительных клеток в ответ на действие стрессора обеспечивается активностью дошоковых редокс-ферментов клеточной стенки и плазмалеммы. Впервые идентифицированы апопластные пероксидазы, которые вносят наибольший вклад в стресс-индуцированное образование супероксида в апопласте корней пшеницы и семенах каштана. Методами протеомики показана множественность изоформ апопластных пероксидаз, обладающих анти- и прооксидантными свойствами. Анализ кинетических характеристик пероксидаз эволюционных предшественников высших сосудистых растений бриофитов Dumortiera hirsuta и Anthoceros natalensis выявил, что образование АФК пероксидазами – эволюционно древний процесс, способствующий повышению иммунитета растений и успешной колонизации ими различных экологических ниш. Получено первое свидетельство лигнолитической активности в лишайниках. Эта активность обеспечивается редокс-ферментами, в частности, пероксидазами. Обнаружено, что пероксидаза лишайников под-отряда Пельтигеровые обладает высоким редокс-потенциалом и может окислять рекальцитрантные субстраты, в том числе фенольные метаболиты конкурирующих лишайников. Эти результаты вносят вклад в расшифровку редокс-механизмов, контролирующих стрессовые ответы и формирование иммунитета растений, а также способствующих колонизации растениями различных экологических ниш.
2. Проводится исследование механизмов аутофагии – регулируемого удаления в клетках растений окисленных и поврежденных молекул, структур и органелл – ультраструктурном, биохимическом и молекулярно-биологическом уровне. Нами впервые описаны и охарактеризованы последовательные этапы формирования аутофагосом в растительных клетках. Показана индукция, развитие и регулируемость макроаутофагии в растениях в условиях окислительного стресса. Анализ активности аутофагических генов ATG4, ATG6 и ATG8 с помощью ПЦР-РВ выявил стимуляцию экспрессии этих генов в корнях пшеницы при действии прооксидантов, митохондриальных ядов и поранении. С помощью биоинформатического анализа аутофагических генов ATG4 и ATG8 пшеницы выявлены их консервативные и вариабельные домены. Были идентифицированы две копии гена TaATG8g, которые были зарегистрированы в базе данных GenBank под идентификационными номерами KJ740609 и KJ740610. Методами биоинформатики и компьютерного моделирования впервые охарактеризована пространственная структура аутофагических белков ATG4 и ATG8g у растений пшеницы и выявлены специфичные сайты, необходимые для их взаимодействия с лигандами при формировании аутофагосом. Впервые получен рекомбинантный белок ATG8g пшеницы, который экспрессировали в бактериальной системе E. сoli. Новые знания о механизмах аутофагической деградации окисленных внутриклеточных белков и поврежденных органелл в растениях способствуют расшифровке механизмов контроля иммунитета растений в условиях стресса.
3. В трансдукцию редокс-сигналов из апопласта внутрь клетки вовлечены мембранные липиды, в том числе стерины и сфинголипиды. В отличие от животных и грибов, растения обладают многообразием молекулярных видов стеринов. С использованием хромато-масс-спектрометрического анализа получены данные о составе мембранных липидов, изменении соотношения молекулярных видов стеринов, в частности кампестерина и ситостерина, в условиях окислительного, раневого, холодового стрессов. Обнаружена взаимосвязь между изменениями стеринов и гликоцерамидов при абиотическом стрессе и истощении стеринов. Впервые обнаружено, что при истощении эндогенных стеринов изменения в липидном составе, проницаемости мембран и характеристиках физиологического ответа растительных клеток различаются в зависимости от типа связывания стеринов специфическими агентами нистатином и метил-β-циклодестрином. Анализ структуры кодирующей области и секвенирование регуляторной области гена стерин-метилтрансферазы (СМТ1) - ключевого фермента биосинтеза растительных стеринов – выявил наличие консервативных и вариабельных доменов, в том числе стресс-чувствительных мотивов. Показано, что в условиях абиотического стресса (окислительный, раневой, холодовой стрессы) в корнях пшеницы происходит изменение экспрессии гена TaSMT1. Эти результаты свидетельствуют о вовлечении ферментов стеринового биосинтеза в стрессовый ответ растительных клеток.

Лаборатория продукционных процессов растений
Заведующий лабораторией
Владимир Иванович Чиков, д.б.н., профессор
Тел. +7 (843)2319046
vichikov@bk.ru

Основное направление исследований:
Исследование регуляции фотосинтеза, фотосинтетического метаболизма углерода и транспорта ассимилятов в связи с реализацией продукционных процессов растений.
Задачи исследований:
Изучение роли апопластной инвертазы в регуляции фотосинтеза и транспорта ассимилятов в условиях различного минерального питания и освещения растений.
Выяснение роли света в продуктивности растений картофеля.
Исследование участия оксида азота в качестве посредника действия нитрата в ингибировании экспорта фотоассимилятов.
Основные результаты исследований:
1. Показано, что NO-сигнальная система, вероятно, выступает в качестве посредника действия нитрата при ингибировании  оттока ассимилятов из листа и перестройке метаболизма при повышении нитратного питания растений.
2. Разработаны и запатентованы комплексные соединения (аммиакаты), которые, воздействуя на кислотно-основные свойства внеклеточной жидкости листьев, изменяют активность апопластной инвертазы и экспорт продуктов фотосинтеза из листьев к потребляющим органам растений. Обработка растений раствором аммиакатов усиливает отток продуктов фотосинтеза из листьев в хозяйственно важные органы и повышает урожай.
3. Разработана и запатентована гидропонная установка, позволяющая на размноженных in vitro пробирочных растениях картофеля получать до 30-40 калиброванных по размеру оздоровленных семенных мини-клубней.
4. Показано, что внеклеточная инвертаза участвует в устьичной регуляции фотосинтеза и транспирации. Блокирование гена апопластной инвертазы с помощью РНК-интерференции или иные воздействия на этот фермент (уровень нитратного питания, обработка растений аммиакатами) меняет характер ответной реакции транспирации на снижение освещенности. Полученные данные доказывают, что устьичный аппарат листа не регулирует фотосинтез, а отслеживает интенсивность потока ассимилятов из листа к потребляющим органам растения.
Разрабатывается агротехнология позволяющая снизит  массу применяемых в растениеводстве минеральных азотных удобрений при одновременном повышении продуктивности растений и плодородия почв сельскохозяйственного назначения.

Лаборатория механизмов роста растительных клеток
Заведующий лабораторией 
Татьяна Анатольевна Горшкова, д.б.н., профессор
Заслуженный деятель науки Республики Татарстан
Тел.: +7(843)2925332
gorshkova@kibb.knc.ru

Направление исследований:
1. Изучение роста растяжением (симпластический и интрузивный рост) с особым акцентом на исследование роли полисахаридов клеточной стенки.
2. Анализ формирования надмолекулярной структуры вторичной клеточной стенки особого (желатинозного) типа.
3. Исследование физиологически активных фрагментов растительной клеточной стенки – олигосахаринов.

Основные результаты исследований:
1. Пересмотрены представления о характере роста растительных волокон. Выявлены маркерные признаки различных стадий формирования волокон: инициации, координированного и интрузивного роста и созревания.
2. Выявлены особенности распределения и структуры основных связующих гликанов первичных клеточных стенок II типа - глюкана со смешанным типом связей и глюкуроноарабиноксилана - соответствующие различным стадиям роста растяжением и коррелирующие со скоростями растяжения клеток в различных органах.
3. Разработаны подходы для изучения механизмов и регуляции интрузивного роста. Показано, что в ходе интрузивного удлинения волокно растёт диффузно и образует симпластически изолированный домен.
4. Обнаружены новые физиологически-активные фрагменты полисахаридов растительной клеточной стенки (олигосахарины); продемонстрирована их вовлеченность в приспособительные реакции растений в качестве эндогенных регуляторов.
5. Охарактеризован особый (желатинозный) тип вторичных клеточных стенок, присутствующий в волокнах лубо-волокнистых культур и древесины натяжения. Выявлены процессы, служащие основой биогенеза клеточных стенок такого типа.
6. Разработана совокупность подходов для исследования структуры и метаболизма (в интактном растении) индивидуального полимера (стадия- и тканеспецифичный галактан) клеточной стенки, играющего ключевую роль в формировании ее надмолекулярной структуры.
7. Установлено, что в ходе встраивания в клеточную стенку галактан прочно связывается с целлюлозой и не извлекается даже сильными щелочными растворами. Разработан метод полного разрушения клеточной стенки волокон и выделения прочно связанных с целлюлозой матриксных полисахаридов.