Микробиом мерзлотных почв и разработка теории земледелия в Российской Арктике
В полевой сезон 2020 года проводились экспедиционные работы по поиску залежных и постагрогенных почв на территории Ямало-Ненецкого автономного округа, в результате которых, было которых выявлено несколько интересных объектов на территории города Салехард и в окрестностях деревни Ямгорт. Обнаруженные поля и огороды возделывались на протяжении длительного периода времени (поле Ямальской опытной агростанции с 1930-х годов), но в настоящее находятся в залежном состоянии. Поскольку в суровых климатических условиях Обского севера наблюдается острый дефицит почвенных ресурсов (пригодных для ведения сельского хозяйства), было проведено комплексное исследование обнаруженных почв на предмет их экотоксикологического состояния, уровня плодородия, запаса гумуса и некоторых других (важных с агрохимической точки зрения) физико-химических параметров, с целью установления возможности и целесообразности реорганизации агропромышленного комплекса региона на данных почвах. По итогам исследований было обнаружено, что залежные почвы сохранили высокий уровень содержания подвижного фосфора и обменного калия, их профили не подвергались криотурбационным процессам и обладают приемлемым запасом гумуса, а также не лимитированы для ведения сельского хозяйства с точки зрения содержания тяжелых металлов.
Раскрытие наследственного потенциала ржи с помощью молекулярно-генетических технологий с целью его эффективного использования в селекции сортов ржи разного назначения
Питание современного человека зависит во многом от сельскохозяйственных растений, которые прошли длительный путь селекции на большее содержание питательных веществ с большой энергетической ценностью (крахмал, сахара), но при этом в значительной степени потеряли потенциал к синтезу разнообразных вторичных метаболитов. Поскольку в развитых странах в основном решена проблема с калорийностью пищи, на первый план выходит насыщение продуктов питания витаминами, микроэлементами и вторичными метаболитами растений (в частности, флавоноидами), которые, судя по многочисленным исследованиям, могут предотвращать развитие заболеваний, связанных с нарушениями метаболизма, а также, сердечно-сосудистых и нейродегенеративных заболеваний.
Рожь является традиционной российской культурой, приспособленной к выращиванию на бедных почвах и при неустойчивом климате. В то же время, рожь сохранила в значительной степени свой наследственный потенциал разнообразия вторичных метаболитов, в частности, флавоноидов. Среди линий Петергофской генетической коллекции ржи нами выявлены формы, дающие зёрна со значительным разнообразием групп флавоноидов, охарактеризован их состав, ведётся работа по установлению генетического контроля за этими признаками, что важно для селекции сортов ржи разного назначения.
Поиск и изучение природно-трансгенных растений.
Трансгенные растения часто подвергаются нападкам, как ненатуральные продукты.Вмес те с тем в природе тоже возникали и возникают ГМО без участия человека. Они являются важным аргументом в пользу натуральной природы любых ГМО. В рамках нашего проекта мы выявили новые природно-трансгенные растения в пределах рода Vaccinium, а также обнаружили естественное разнообразие трансгенов у болотной клюквы. Наши данные могут быть интересны для изучения географического распространения этого растения
Изучение регуляции стволовых клеток высших растений на примере развития меристем
За отчетный период в рамках изучения регуляции работы меристем получен ряд результатов:
Получены линии люцерны с отредактированным геном CLE – регулятором ответа на нитрат. Получены растения с измененной экспрессией регулятора клубнеобразования. В клубнях трансгенных растений деформированы покровные ткани, в связи с чем, скорее всего, клубни не выдерживают длительное хранение.
С использованием технологий Illumina и Nanopore секвенированы и собраны геномы опухолевой и безопухолевой линий редиса. Это поможет найти гены-кандидаты в регуляторы спонтанного опухолеобразования. Найдены предполагаемые регуляторы образования корнеплодов у свеклы.
Найден ген CLE, подавляющий соматический эмбриогенез, получена конструкция для его редактирования и индуцибельной экспрессии.
Галловые клещи
Разработка безопасных технологий на основе знаний об экологических закономерностях взаимоотношений живых организмов, сосуществующих в различных экосистемах, – один из современных трендов в развитии агробиотехнологий. Различные паразитические и кровососущие членистоногие животные, а также сорные, ядовитые и аллергенные растения существенно затрудняют проведение многих сельскохозяйственных работ и могут быть опасны для человека. Для борьбы с такими нежелательными организмами обычно используют ядохимикаты-пестициды, однако наиболее безвредными и экологически безопасными считаются методы биологического контроля. Такие методы основаны на поиске и применении обнаруженных в природе разнообразных биоагентов, которые выступают в роли естественных врагов или регуляторов численности нежелательных организмов.
Сныть (Aegopódium podagrária) – травянистое растение семейства зонтичные, злостный трудновыводимый сорняк, бич огородников и крупных агрохозяйств. Во время экспедиционных работ ученые СПбГУ обнаружили паразитических клещей семейства Eriophyidae, способных избирательно поражать листья сныти. Была поставлена задача оценить возможность использования клещей в качестве природных агентов борьбы с сорными растениями. В эксперименте было установлено, что зараженные клещами листья быстро теряют зеленую окраску, на них появляются красные и фиолетовые пятна, а их рост замедляется. В дальнейшем ученые планируют оценить влияние галловых клещей на другие опасные для человека растения, включая аллергенные виды полыни и борщевик, неосторожное прикосновение к которому вызывает сильные ожоги кожи.
Значимость исследований, проведенных сотрудниками Агробиоцентра, определяется тем, что в ситуации, когда использование ядохимикатов нежелательно, галловые клещи могут с успехом применяться в качестве биологического метода борьбы с сорными растениями. Данный подход важен для перехода к современному беспестицидному земледелию и развития безопасной “зеленой” экономики.
Поиск маркеров устойчивости гороха к засухе и длительному хранению в
контексте сохранения качества семян и пищевой безопасности
В современном сельском хозяйстве засуха является одним из ведущих факторов снижения жизнеспособности и продуктивности культурных растений, что сопровождается существенными потерями собираемых урожаев. Не меньший экономический урон приносят потери уже собранного урожая на этапе его хранения. При этом, эти два негативных фактора связаны между собой: действие засухи в период созревания семян приводит к снижению их устойчивости к длительному хранению. Немаловажно отметить, что потери, связанные с засухой могут проявляться не только в физическом снижении количества продукции, поступающей в промышленную переработку, но также в снижении качества семян – как в отношении их способности к прорастанию и успешному развитию, так и в контексте питательной ценности семян и пищевой безопасности. Действительно, оба этих повреждающих фактора приводят к накоплению неферментативных пост-трансляционных модификаций белков (окисление, липоокисление, гликирование), которые известны своим негативным действием на организм животных и человека – конечных потребителей сельскохозяйственной продукции. Поэтому, в рамках данного проекта, ведется поиск молекулярных маркеров потери качества семян под действием засухи или в ходе длительного хранения. Для этого была создана репрезентативная выборка линий гороха, в широком диапазоне различающихся своими свойствами – устойчивостью к засухе, содержанию белка, пищевой ценности. Далее, была разработана панель методов, позволяющих адекватно оценить физиологическоне состояние растений, жизнеспособность семян, а также их питательную ценность и пищевую безопасность (Рис. 1). С помощью современных методов метаболомики и протеомики будут выявлены химические вещества – метаболиты и белки, перспективные в качестве маркеров для селекции новых сортов, сохраняющих свои пищевые свойства в условиях засухи и длительного хранения.
«Создание организмов – продуцентов белков иммуномодуляторов животных»
Актуальность получения организмов – продуцентов белков иммуномодуляторов животных обусловлена следующими факторами:
- Обеспечение сохранности поголовья сельскохозяйственных животных требует создания новых эффективных средств профилактики и лечения болезней.
- Использование антибиотиков не всегда оправдано и может приводить к появлению патогенов с множественной лекарственной устойчивостью.
- Существует опасность появления в продуктах питания патогенных микроорганизмов, устойчивых к антибиотикам.
- Интерфероны (белки-иммуномодуляторы) – обладают антибактериальной и противовирусной активностью, регулируют работу иммунной системы.
- Интерфероны могут быть использованы как лекарственные препараты и адъюванты при вакцинации.
- Для получения достаточного количества целевых белков необходимо использование организмов-продуцентов.
В качестве организмов-продуцентов использованы дрожжи и растения.
Дрожжи – эукариотические микроорганизмы, поэтому обеспечивают корректный синтез и созревание белков высших эукариот. Относительно простые питательные среды, выращивание штаммов-продуцентов в строго заданных условиях позволяют выполнять требования GMP (Good Manufacturing Practice).
Основное преимущество растений как продуцентов — отсутствие риска загрязнения целевого белка вирусами млекопитающих. Высшие растения как автотрофные организмы отличаются быстрым ростом и накоплением биомассы при минимальных энергетических затратах, что снижает себестоимость и обеспечивает значительный выход целевого белка.
Ранее были созданы штаммы дрожжей и трансгенные растения табака, синтезирующие бычий гамма-интерферон, и штаммы дрожжей – продуценты куриного гамма-интерферона. Доказано, что полученные рекомбинантные интерфероны обладают противовирусной активностью.
Проведены исследования влияния состава питательной среды на жизнедеятельность дрожжей-продуцентов. Показано, что использование пролина в качестве источника азота приводит к изменению экспрессии генов, контролирующих разные пути метаболизма. Промоторы генов, экспрессия которых усиливается в этих условиях, могут быть использованы при клонировании чужеродных генов для повышения уровня их экспрессии и увеличения выхода целевых белков.
Продуценты на основе дрожжей и съедобных растений можно использовать в качестве кормовых добавок без выделения и очистки целевого продукта, что составляет до 80-90% затрат при производстве рекомбинантных белков. Поэтому проведена работа по получению люцерны, синтезирующей куриный гамма-интерферон. Выбор люцерны обусловлен тем, что она входит в состав витаминно-травяной муки – важного элемента подкормки в птицеводстве. К настоящему времени получены трансгенные растений люцерны, содержащие ген куриного гамма-интерферона, из которых 5 достигли цветения и плодоношения.
