Биохимия – для будущих урожаев

В феврале 2024 года академическая наука Восточной Сибири отмечает 75-летие. В честь этого события редакция газета «Областная» при содействии Иркутского филиала Сибирского отделения РАН публикует цикл материалов о молодых ученых Приангарья. Сегодня речь пойдет о специалистах, изучающих возможность противостояния злаковых культур к природной засухе.

До 40% мирового урожая пшеницы гибнет по причине природной засухи. В нашей стране в основном выращивают мягкие сорта этой злаковой культуры. Механизмы их засухоустойчивости пока еще недостаточно изучены, хотя в Восточной Сибири ранней весной злаки нередко испытывают дефицит влаги. Младший научный сотрудник Сибирского института физиологии и биохимии растений СО РАН, кандидат биологических наук Вероника Гурина решила подробнее изучить эту проблему. Ее грант «Роль стеринов в механизмах адаптации растений пшеницы к засухе» получил поддержку Российского научного фонда. Подробнее об этой и другой работе ученых лаборатории – наш материал.

Органеллы в стрессе

– Мой 11-летний сын шутит: «Мама, когда ты в Википедии будешь?» Работы очень много. Я встаю рано и приезжаю в институт из Ново-Ленино в семь утра или в половине седьмого. Поэтому подумываю привезти сюда раскладушку, чтобы хоть иногда отдохнуть, – улыбается Вероника.

Честно говоря, во время нашей встречи девушка была в отпуске, и мы пригласили ее в институт специально для интервью. Но она тут же включилась в обсуждение рабочих тем с коллегой, научным сотрудником лаборатории физиологии растительной клетки, кандидатом биологических наук Екатериной Спиридоновой, которая, к слову сказать, тоже является держателем гранта РНФ.

Здесь не бывает так, чтобы кто-то из ученых работал исключительно по своему гранту, поскольку есть государственное задание, которое нужно выполнять в первую очередь, общие проекты и прочее. Екатерина как раз занималась калибровкой прибора для проведения эксперимента по изучению воздействия тяжелых металлов на растительные клетки, а если говорить более точно, на клеточные органеллы – вакуоли, в которых происходят важные биохимические процессы клеток растений.

– Растения ведут прикрепленный образ жизни и не могут избежать воздействия различных стрессовых факторов, в т.ч. техногенных, что приводит к изменениям в росте и развитии. И если экологи изучают в основном изменения, которые происходят на уровне целого растения или отдельных его тканей, то мы исследуем биохимические изменения на уровне самой клетки и отдельных ее компонентов. «Это в дальнейшем позволит внести вклад в улучшение технологий возделывания сельскохозяйственных культур для получения экологически чистой продукции», – говорит Екатерина Спиридонова.

В этой работе в качестве объекта исследования биохимики используют свеклу BetavulgarisL. И не только потому, что она важна для народного хозяйства и входит в т.н. борщевой набор продуктовой корзины россиян, а еще и потому, что корнеплоды свеклы – удобный для исследований модельный объект. С помощью специальной приборной установки его удобно нарезать на тонкие слайсы и выделять вакуоли – органеллы в виде «шарика» с клеточным соком внутри. Защищает вакуоли мембрана – тонопласт, которая состоит из белков и липидов. Первые сейчас изучает Екатерина, вторые – Вероника и ее коллега, старший научный сотрудник, к.б.н. Ирина Капустина.

Предварительные эксперименты показали, что белковые и липидные составляющие тонопласта активно участвуют в жизнеобеспечении клетки при воздействии тяжелых металлов. Работа по этому проекту продолжается.

А Вероника Гурина попутно подготовила отдельный грант и отправила заявку на конкурс Президентской программы исследовательских проектов молодых ученых РНФ. В качестве изучаемого объекта выбрала мягкую пшеницу TriticumaestivumL. Она хочет понять, какую роль у растений пшеницы в условиях засухи играют принадлежащие к классу липидов органические соединения под названием фитостерины.

Эксперименты на фитотроне

– Есть такое понятие, как абиотический стресс, к основным таким стрессам относится засуха. Из-за нее и высоких температур воздуха в мире гибнет около 40% урожая пшеницы. На это влияет глобальное изменение климата. В нашей стране мягкая пшеница является основной зерновой культурой – входит в основу рациона людей и сельскохозяйственных животных. В Восточной Сибири засуха этому злаку грозит в основном ранней весной во время всходов. Поэтому понимание защитных механизмов растений при стрессах от дефицита воды является актуальным и поможет в решении проблемы стабильности урожаев, – беседу с Вероникой Гуриной мы продолжаем в помещении фитотрона.

Станция искусственного климата – фитотрон – центральное сооружение экспериментальной базы СИФИБР СО РАН. Отметим, что это первый отечественный фитотрон, который был спроектирован силами сотрудников института. Ученые разных институтов имеют возможность круглый год экспериментировать здесь с растениями. На станции работают климатические камеры, оборудованные под ростовые комнаты. Температура, освещение, влажность, длина светового дня и ночи – все эти параметры можно регулировать под конкретные задачи. Иркутский фитотрон оснащен теплицами, в т.ч. экспериментальными с естественным светом, где при необходимости можно использовать дополнительное освещение.

Вероника показывает нам сосуды с пшеницей. Ее выращивали для созревания колосьев в условиях засухи. В рамках гранта РНФ нашей собеседнице в сентябре предстоит сделать новые посевы:

– Я буду работать с образцами пшеницы двух сортов. Первый – «Диамант 2» – влаголюбивый, чувствительный к засухе. Его выращивают во многих областях нечерноземной полосы Европейской части России, а также в Западной Сибири и в Карелии. Второй – «Бурятская остистая» – засухоустойчивый сорт пшеницы, районированный в Восточной Сибири. Когда растения достигнут стадии трех листьев, я буду создавать им стресс путем ограничения полива. На протяжении всего эксперимента – искусственно созданной засухи – с определенной периодичностью стану отбирать пробы и изучать физиолого-биохимические показатели. Будет сделан анализ содержания перекиси водорода и продуктов перекисного окисления липидов листьев пшеницы – показателей окислительного стресса, который сопровождает остальные стрессы растений.

Это лишь часть предстоящей работы по проекту. Необходимо также изучить изменения состава фитостеринов и активности фермента со сложным названием HMG-CoA-редуктаза. Он участвует в производстве этих самых стеринов. Регуляторная роль фермента занимает важное место в механизмах адаптации растений.

Не потрудиться – хлеба не добиться

Подобные исследования ранее проводились только на рисе зарубежными биохимиками. Они выяснили важную роль стеринов клеточной мембраны в адаптации к засухе. Но у нас всему голова – хлеб, а значит и зерновая культура пшеница, из которой его производят. К тому же в науке нельзя без сравнения.

– В науке ты постоянно учишься, осваиваешь новые методы, читаешь много научной литературы. Это очень интересно. Все время в развитии, что мне нравится, – признается Вероника, которая стала и руководителем и исполнителем гранта.

Составлять такие конкурсные заявки, кстати, непросто. Но ученым сейчас приходится быть «многозадачными». Научный сотрудник делает все – продумывает исследования, ставит эксперименты, пишет статьи и заявки на гранты, если необходимо, моет лабораторную посуду. Еще и знание языков нужно подтягивать.

Липиды растений – главный предмет научного интереса Вероники. А ведь кандидат биологических наук могла стать стоматологом. Таков, по совету подруги, был первоначальный план после окончания Иркутской школы № 57. Но успешно сдав ЕГЭ, она подала документы в четыре вуза, везде прошла, а выбрала биолого-почвенный факультет ИГУ. При этом в школе ей больше нравились математика и информатика. Сейчас царица всех наук очень помогает в работе ученого.

Тянуться к новым знаниям, развивать новые умения и навыки для нее – не только работа, а обычный стиль жизни. Научиться вышивать, профессионально делать маникюр или готовить цветы из зефира? Пожалуйста.

– Чтобы все успеть, стараюсь работать быстро, заранее просчитать алгоритмы действий, составить план, – говорит Вероника Гурина. – Я не жалею, что не пошла в стоматологи, тогда еще решила, что работать с кровью не для меня. Биологию, химию я полюбила еще студенткой, а особенно здесь, в институте, где проходила практику, защищала диплом, потом после перерыва из-за декрета – кандидатскую диссертацию. У нас замечательные коллектив и заведующая, доктор биологических наук Наталья Владимировна Озолина. Мне здесь интересно и комфортно работать.

Биохимические исследования не дают заскучать. Они, как и многие другие направления научных исследований сейчас находятся на стыке нескольких наук. Приходится разбираться в математике, статистике и в информационных технологиях. Вероника, к примеру, может разобрать и привести в порядок ноутбук. В общем, преодолевать себя и развиваться приходится постоянно.

– И это хорошо. Так, кстати, закладываются новые нейронные связи, ты не стоишь на месте. А это для меня – самое главное, – подводит итог беседы молодой ученый, биохимик, которому мы пожелали большой научной удачи.

СПРАВКА

Вероника Гурина, младший научный сотрудник лаборатории физиологии растительной клетки СИФИБР СО РАН.

 

Научные интересы:

– функционирование биологических мембран при абиотических стрессовых воздействиях;

– липидология и протеомика растений.

 

Научные награды:

2022 год. Именная стипендия Фонда стратегического и инновационного развития молодым талантливым исследователям и инженерам Иркутской области и Республики Бурятия в рамках реализации мероприятий программы деятельности межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня «Байкал».