Неинвазивный мониторинг молекулярной физиологии на протяжении жизни растений

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.

6 Января 2025 года — 31 Декабря 2027 года

Мишин А.С. (рук.)

Лаборатория оптического биоимиджинга

Грант, РНФ

Список публикаций по проекту

  1. Balakireva AV, Karataeva TA, Karampelias M, Mitiouchkina TY, Morozov VV, Macháček J, Shakhova ES, Perfilov MM, Belozerova OA, Kovalchuk SI, Palkina KA, Drážná N, Vondráková Z, Müller K, Kalachova T, Fleiss A, Fernandez-Moreno JP, Alonso JM, Stepanova AN, Fakhranurova LI, Markina NM, Gorbachev DA, Bugaeva EN, Delnova GM, Choob VV, Yampolsky IV, Petrášek J, Mishin AS, Sarkisyan KS (2026). Non-invasive imaging of defence responses in plants. Nat Commun 17 (1),
  2. Zamuner CK, Soares DMM, Nóbrega BB, Bechara EJH, Kaskova ZM, Mishin AS, Sarkisyan KS, Yampolsky IV, Stevani CV (2026). Caffeylpyruvate hydrolase from the bioluminescent fungus Neonothopanus gardneri is the key recycling enzyme in the fungal bioluminescence pathway. FEBS J ,
  3. Malyshevskaia AK, Barykin AD, Kisilichuk DA, Chepurnykh TV, Shakhova ES, Perfilov MM, Belozerova OA, Palkina KA, Markina NM, Zamuner CK, Soares DMM, Zagitova RI, Kaskova ZM, Stevani CV, Gorokhovatsky AY, Mishin AS, Sarkisyan KS, Yampolsky IV (2026). Fungal oxyluciferin is recycled by caffeylpyruvate hydrolases. FEBS J ,
  4. Chiu CW, Zhan YF, Lu TY, Chiu LJ, Li YR, Huang CJ, Lu HJ, Huang HJ, Mishin AS, Sarkisyan KS, Wu TY, Hsiao CH, Liu MJ (2026). Visualisation and Prediction of Phosphate Deficiency via Auto-Glowing Plant Bioluminescent Sensors. Plant Cell Environ ,