Физиология растений представляет собой науку о функционировании растительного организма и является одним из центральных направлений работы сразу двух институтов Карельского научного центра РАН.
На конференции результаты своих исследований представляли ведущий научный сотрудник Института биологии КарНЦ РАН Татьяна Шибаева (на заглавном фото), главный научный сотрудник Института леса КарНЦ РАН Наталия Галибина и младший научный сотрудник Института леса КарНЦ РАН Ирина Теслюк.
Влияние аномальных свето-темновых циклов на рост растений
Главный научный сотрудник Института биологии Карельского научного центра РАН, доктор биологических наук Татьяна Шибаева представила результаты комплексного исследования, сфокусированного на оценке потенциала регуляции онтогенеза и биомассы растений в условиях контролируемой среды с привлечением аномальных свето-темновых циклов.
Данный подход подразумевает искусственное моделирование режимов чередования светового и темнового периодов, не имеющих аналогов в естественных биогеоценозах Земли.
Автором экспериментально доказано стимулирующее влияние девиантных фотопериодических циклов на вегетативную продуктивность и скорость прохождения фаз развития растительных организмов.
Структура любого цикла свет/темнота детерминируется двумя базовыми физиологическими параметрами: общей продолжительностью периода (Т) и дробным соотношением экспозиции фотосинтетически активной радиации ко времени действия темноты (соотношение свет/темнота).
Если суммарная продолжительность элементарного цикла эквивалентна суточному геофизическому ритму и составляет 24 часа, фотопериод классифицируется как нормальный. Превышение или сокращение этого хронологического лимита (например, паттерны 8/4 часа или 24/12 часа) переводит цикл в категорию аномальных.
Согласно полученным автором эмпирическим данным, атипичные режимы освещения, включая перманентную фотоэкспозицию (постоянный свет), способны индуцировать у культивируемых фитоценозов выраженный терапевтический и продукционный эффект.
Наблюдается выраженное ускорение ростовых процессов, оптимизация скорости прохождения фенологических стадий, синергетическое накопление вторичных метаболитов целевой направленности и одновременная детоксикация тканей за счет снижения концентрации антинутриентов, в частности свободных нитрат-ионов. Параллельно зафиксировано существенное снижение удельных энергозатрат искусственного досвечивания на единицу получаемой товарной биомассы.
Фундаментальные биологические механизмы, лежащие в основе данного феномена, на сегодняшний день остаются малоизученными. Однако в процессе проведения серии экспериментов с девиантными режимами освещения было установлено, что растительные организмы при переходе на аномальные ритмы подвергаются воздействию специфического фактора среды — фотопериодического стресса, природа которого принципиально отличается от ранее известных типов абиотического стресса.
– В естественных условиях его нет, так как в обычном суточном 24-часовом цикле смена дня и ночи происходит всегда однократно. Этот вид стресса пока мало изучен, однако заслуживает самого пристального внимания. Принципиально, что последствия стресса не обязательно являются негативными, что, в частности, породило в рамках классической теории стресса понятие эустресса – положительного, полезного стресса – в противоположность дистрессу – отрицательному, вредному стрессу, – говорит Татьяна Шибаева.
Управление развитием древесины на молекулярном уровне
Научно-исследовательская деятельность доктора биологических наук Наталии Галибиной сфокусирована на экспликации молекулярных и биохимических механизмов, детерминирующих дифференциацию и морфогенез тканей ствола у древесных таксонов.
Детальное понимание данных регуляторных путей рассматривается как фундаментальная основа для разработки методов направленного контроля и управления ксилогенезом — процессом формирования и структурно-функционального развития вторичной ксилемы (древесины).
В рамках своего доклада Наталия Галибина охарактеризовала функциональную роль специализированных мембранных белков — транспортеров углеводов суперсемейства SWEET — в регуляции физиолого-биохимических процессов, определяющих продуктивность древесных фитоценозов.
Данные интегральные протеины осуществляют трансмембранный перенос сахарозы и моносахаридов, выступая ключевыми медиаторами распределения углеродных потоков между донорными фотосинтезирующими органами и акцепторными тканями формирующегося ствола. Качественная оценка механизмов транслокации проводилась на модельных объектах березы повислой, включая ее эндемичную морфологическую форму — карельскую березу.
Исследовательскому коллективу Института леса Карельского научного центра РАН впервые удалось экспериментально подтвердить и описать непосредственное участие транспортеров семейства SWEET в компартментализации и распределении ассимилятов, синтезируемых в мезофилле листа, между дифференцирующимися тканями вторичной ксилемы на примере зрелых древесных растений в естественных лесорастительных условиях.
– Таким образом, на разных этапах ксилогенеза – в активный период и поздние стадии – транспортеры SWEET можно рассматривать как индикаторы потока сахаров в развивающихся тканях ствола, – подчеркнула Наталия Галибина.
Полученные результаты открывают широкие перспективы для разработки биотехнологических методов интенсификации продуктивности лесных культур и направленного синтеза вторичной ксилемы с детерминированными физико-механическими и текстурными свойствами, включая специфическую узорчатость, фенотипически присущую исключительно карельской березе.
Ранее исследователями был осуществлен сравнительный транскриптомный анализ тканей стебля двух контрастных форм березы, характеризующихся альтернативными сценариями ксилогенеза. Данное молекулярно-генетическое профилирование позволило эксплицировать новые фундаментальные закономерности транскрипционной регуляции дифференциации клеток камбиальной зоны.
Аспирант Ирина Теслюк выступила в рамках конференции с докладом «Изменение редокс-статуса на ключевых этапах соматического эмбриогенза у Picea Abies».
Проведенное исследование вносит существенный вклад в оптимизацию протоколов клонального микроразмножения и разработку эффективного метода крупномасштабного депонирования уникальных высокопродуктивных генотипов данного таксона, являющегося одной из главных лесообразующих и экономически значимых древесных пород в таежных экосистемах Карелии.
Источник: Карельский научный центр РАН.
