Стресс у растений: от общих механизмов до растений-экстремофилов

1.

Стресс у растений:
от общих механизмов
до
растений-экстремофилов
Минибаева Фарида Вилевна
Казанский Федеральный Университет
Казанский институт биохимии и биофизики, РАН

2.

Факты о стрессе
Со стрессом связано шесть
основных причин смерти
человека – болезни сердца, рак,
болезни легкого, несчастные
случаи, цирроз печени, суицид.
У 43% взрослого населения
проблемы со здоровьем
происходят от стресса.
79% женщин и 69% мужчин
«заедают» стресс.

3.

УФ
охлаждение
повышенная
температура
засуха
поранение
тяжелые
металлы
засоление

4.

Защитные механизмы
Физиологические Устьица, дыхание, остановка роста,
замедление / ускорение метаболизма
Биохимические
Редокс-соединения, защитные белки и пептиды
(PR, дефензины, БТШ, шапероны,
фитохелатины), оксилипины, олигосахарины, ионы
Биофизические
Осмотический потенциал (тургор),
электрический потенциал, свойства мембран
Генетические
Транскрипция генов, пластичность

5.

Но не всегда эти механизмы
работают.
Как выжить, например, в пустыне?

6.

Центральная Африка
Австралия
Чили
Юг России

7.

Молекулы под угрозой
СТРЕСС
Белки
Липиды
Мембраны
Нуклеиновые
кислоты

8.

Окислительный стресс и
гибель клеток
в листьях бука при действии
озона
Накопление АФК является
одним из основных
симптомов болезней
человека.

9. Что такое экстремофил?

• Буквально, это любитель экстрима
Latin Extremus – “Extreme” + Greek Philiā – “Love”
Типичные
представители
экстремофилов лишайники

10.

Что такое лишайники?
Это фотосинтезирующие симбиотические
организмы, основными компонентами которых
являются грибы (95%) и водоросли (5%). Недавно
обнаружены бактериальные симбионты.

11.

ЛИШАЙНИК – СИМБИОТИЧЕСКАЯ АССОЦИАЦИЯ
Мажорные симбионты – гриб (микобионт)
симбионты:
водоросль и/или цианобактерия (фотобионт)
Минорные
лихеникозные грибы
бактерии
дрожжи
Идентифицировано
~18 500 видов
лихенизированных грибов,
водорослей ~ 100 видов (Goga
et al. 2018)

12.

ЛИШАЙНИКИ НАСЕЛЯЮТ 8% ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Печеро-Илычский
заповедник, Коми Респ.
Пустыня

13.

Исторически метаболиты лишайников использовались в
медицине, парфюмерии, текстильной промышленности, в качестве
корма
Cladonia

14.

КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ В ЛИШАЙНИКЕ
Фотобионт –
продукты
фотосинтеза, азот
Микобионт – вода,
минеральные соли,
лишайниковые
вещества
Nazem-Bokaee et al. 2021

15.

СТРЕССОВАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ЛИШАЙНИКОВ
Открытый космос
Пустыня
+ Н2 О
Тайга
Антарктида
Целое – больше, чем сумма частей!

16.

ЛИШАЙНИК - СУНДУК С СОКРОВИЩАМИ
Лишайники – источники уникальных метаболитов
белков
генов
Структура некоторых лишайниковых
соединений:
a) Леканоровая кислота (депсид);
b) Париетин (антрохинон);
c) Вульпиновая кислота;
d) Салазиновая кислота (депсидон);
e) Паннаровая кислота (дибензофуран);
f) Лихексантон
Muggia et al. 2016

17. Вторичные метаболиты лишайников

• Известно более 800 лишайниковых веществ, из них
650 уникальны для лишайников
• Кристаллы этих веществ находятся на поверхности
гриба

18. Меланин

Пигментация кожи
при загаре = синтез
меланина

19. Cetraria islandica

Лишанийки тоже могут
загорать!
Cetraria islandica

20.

УФ-индуцированная меланизация Lobaria pulmonaria
УФ-Б
УФ Б
UV0
UV14
УФ-Б
λ=280-315 нм, 80 мин
ежедневно в течение
14 дней
UV0
UV14
λ=280-315 нм, 80 мин
UV0 UV2
UV7 UV11 UV14
ежедневно в течение
14 дней
Исходный таллом
Экспрессия генов
Исходный таллом
Сильномеланизированный
таллом
Визуализация,
физиология
Сильномеланизированный
таллом
UV0
Индекс
отраженияUV7
таллом
UV0
лишайника L. p
Экстракция меланина
Индекс отражения талломов по Б
лишайника L. pulmona
Выход экстрактивных веществ и меланина из лишайника L. pulmonaria в зависимости от
Транскриптомное Количественная
Физико-химические Функциональная
воздействия УФ-Б облучения
секвенирование
ВыходПЦР
экстрактивных веществ и меланина из лишайника L. pulmonaria
в зависимости от
свойства
активность
ЭВ,
воздействия УФ-БВыход
облучения
Талломы лишайника L. pulmonaria
% от СВ образца
Талломы лишайника L. pulmonaria
Биоинформатический
Слабомеланизированный (UV7)
анализ
Слабомеланизированный
(UV7)
Сильномеланизированный
(UV14)
Сильномеланизированный (UV14)
UV
Выход меланина,
% от СВ образца
Выход ЭВ,
% от СВ
образца
4,42
± 0,01
Выход меланина,
% от СВ0,74
образца
± 0,01
4,425,53
± 0,01
± 0,01
0,741,59
± 0,01
± 0,02
5,53 ± 0,01
1,59 ± 0,02
Эксперименты по меланиз
проводили совместно с к.б
Эксперименты по меланизации
(ИБ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН
проводили совместно с к.б.н. Ше
ЭВ –Коми
экстрактивные
вещес
(ИБ ФИЦ
НЦ УрО РАН,
Сыкт
СВ – сухие вещества
ЭВ – экстрактивные
вещества
СВ – сухие вещества

21.

Изменение экспрессии генов биосинтеза меланинов
Leksin et al. 2023, in preparation
Повышение экспрессии
Color key
Отсутствие изменений в экспрессии
-4
-2
0 2 4
log2FC
6
8 10
Tyr6
Tyr2
Tyr8
Tyr10
Tyr1
Tyr5
Tyr9
Tyr3
Tyr7
MCO1
MCO5
MCO2
MCO4
MCO9
MCO7
MCO8
MCO3
UV2 UV7 UV11 MCO6
Phosphoenolpyruvi
c acid
Asp1
Asp2
Tyr6
D-Erythrose-4phospate
DAHP-synthase
3-Deoxy-D-arabinoheptulosonate 7phosphate
AROM
Chorismate synthase
Chorismate
Chorismate mutase
Prephenate
Prephenate
dehydrogenase
4-Hydroxyphenyl pyruvic acid
Transaminas
e
Tyrosine
Tyr6; MCO1
Dopaquinone
Tyr6; MCO1
5,6-Dihydroxyindole
MCO1
Eumelanin
UV2
UV7
SCD
THN-red
PKS156
PKS180
PKS4420
PKS477
UV11
UV2
2X 4-Hydroxyphenyl
pyruvic acid
Asp1, Asp2
Aspulvinone E
Tyr6
Oxidized
aspulvinone E
spontaneou
s
Asp-melanin
UV7
UV11
Acetyl-CoA
Malonyl-CoA
PK
S
1,3,6,8tetrahydroxynaphthalene
(THN)
THN-red, SCD
1,3,8-trihydroxynaphthalene
(THN)
THN-red, SCD
and other
1,8-dihydroxynaphthalene (DHN)
spontaneou
s
DHN-melanin
4

22.

Экстракция меланинов
Rassabina et al. 2020
Меланиновые
ассоциаты:
Меланины
Белки
Углеводы
Размер частиц
Вязкость
Хелатирующие
свойства
Антиоксидантные
свойства
Гигроскопические
свойства
4

23. Необходимость новых лекарственных средств обусловлена:

Уникальные метаболиты лишайников
как основа для создания новых лекарств
Необходимость новых лекарственных средств
обусловлена:
• Ухудшением экологической обстановки
• Абиотическими и биотическими стрессами
• Мутированием патогенов
• Антибиотикоустойчивостью патогенов

24.

Париетин –
оранжевый
пигмент
Xanthoria parietina

25.

Жизнеспособность клеток линии рака поджелудочной железы AsPC-1
под действием цисплатина, Physcion и в комбинации
Цисплатин
Physcion
IC50 – 8 мкМ
IC50 – 338 мкМ
Цисплатин + Physcion
IC50цис (DMSO 0,2%) = 14,2 мкМ
IC50цис+Phy= 10 мкМ
Physcion (10 мкМ) увеличивал чувствительность опухолевых клеток
линии AsPC-1 на 30 % (лаб. Р.Г. Киямовой)

26.

Хемотипирование лишайников для
практического применения
Singh et al. 2017

27.

ЛИШАЙНИК КАК АРТОБЪЕКТ
The Royal Academy of Art in Stockholm 2009

28. Тем, кто хочет изучать тайны стресса у растений, добро пожаловать к Минибаевой Фариде Вилевне

[email protected]
Казанский институт биохимии и биофизики
РАН
Лобачевского 2/31 комната 135a