Проект направлен на решение актуальной проблемы современной аграрной биотехнологии – создание систем неинвазивного мониторинга метаболизма сельскохозяйственных растений. Грамотное использование минеральных удобрений является критическим фактором, от которого зависят как урожайность культур и восстановление почв, так и экологическая безопасность окружающей среды в целом. Для разработки оптимальных схем применения удобрений необходимо контролировать содержание питательных веществ не только в почве, но и в растениях. Биосенсоры количественного прижизненного имиджинга растений предоставляют информацию о пространственно-временном распределении питательных веществ и микроэлементов в тканях, клетках и субклеточных структурах растений, что является необходимым для успешного развития моделей метаболизма, лежащих в основе биоинженерии сельскохозяйственных культур. В этом году мы опубликовали улучшенную биолюминесцентную систему грибов FBP3 (Shakhova et al. 2024), свечение которой в 100 раз ярче биолюминесценции системы дикого типа, и применили ее в растениях. Это значительно расширяет возможности оптического имиджинга, позволяя наблюдать события внутри клетки, которые ранее были недоступны для мониторинга. Целью данного проекта является создание и экспериментальная проверка двух генетически кодируемых биолюминесцентных сенсора для неинвазивного прижизненного мониторинга распределения меди и фосфора в тканях взрослых трансгенных растений. Для решения этой задачи в клетки растений будут внедрены гены биолюминесценции грибов, находящихся под контролем промоторов, чувствительных к содержанию фосфора или меди. Это обеспечит автономное свечение тканей растения в зависимости от концентрации в них этих элементов. Регистрация свечения позволит проводить неинвазивный прижизненный мониторинг молекулярной физиологии растения в течение его жизненного цикла. Научная новизна проекта состоит в получении генетически кодируемых биосенсоров, в каждом из которых оптимизированный ген люциферазы грибов находится под контролем промотора, чувствительного к содержанию фосфора или меди. В результате интенсивность биолюминесценции тканей растения будет пропорциональна содержанию в них изучаемых элементов. Это позволит впервые описать динамику макро- и микроэлементов в отдельных частях индивидуальных растений в течение всего их жизненного цикла. Научная значимость результатов данного проекта прежде всего состоит расширении возможностей для неинвазивного мониторинга метаболических процессов в растениях, включая осуществление параллельного мониторинга молекулярной физиологии за счет разделения сенсоров в пространстве. Разрабатываемые биосенсоры найдут применение для изучения физиологии растений в их естественной среде, вне стен лаборатории. С их помощью станет возможным проведение неинвазивных долгосрочных экспериментов по визуализации здоровой физиологии и патологических состояний растений, с мониторингом воздействия удобрений, гербицидов, пестицидов в реальном времени в течение недель, месяцев и лет. Также биосенсор поможет визуализировать развитие инфекций у растений в реальном времени и будет способствовать разработке специализированных трансгенных организмов для экологического мониторинга, например, растений, сообщающих с помощью биолюминесценции о загрязнении почвы тяжелыми металлами. Результаты этой работы расширят наше понимание молекулярных основ физиологии растений. Также полученные данные будут способствовать повышению урожайности культур, возобновлению почв и сохранению экологической безопасности окружающей среды.