Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева

Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ – фундаментальная основа биотехнологий, или ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ И ГЛОБАЛЬНЫЕ ВЫЗОВЫ Академик А. С. Фаминцын

Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ – фундаментальная основа биотехнологий, или ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ И ГЛОБАЛЬНЫЕ ВЫЗОВЫ Академик А. С. Фаминцын

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ Рождение физиологии растений ЗАНИМАЕТ ПРОМЕЖУТОЧНОЕ 1800 г. Ж. Сенебье ПОЛОЖЕНИЕ МЕЖДУ ОБЩЕЙ БИОЛОГИЕЙ И ФИЗИКО- ХИМИЧЕСКОЙ БИОЛОГИЕЙ Стратегическое направление развития физиологии растений: РЕГУЛЯЦИЯ И ИНТЕГРАЦИЯ Возрастание роли ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ физиологии В РАСТИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ растений в условиях РАЗЛИЧНОГО УРОВНЯ постгеномной эры. СЛОЖНОСТИ В ХОДЕ Необходимость ОНТОГЕНЕЗА И интерпретации АДАПТАЦИИ молекулярных событий на уровне сложных физиологических Современная физиология растений явлений и процессов движется в направлении молекулярная физиология растений

Физиология растений – наука фундаментальная У растений кукурузы были впервые обнаружены мобильные генетические элементы (МГЭ) Arabidopsis thaliana – первый высший многоклеточный организм, у которого был полностью секвенирован геном Photo credit: tom donald

Академик А. С. Фаминцын Основоположник отечественной физиологии растений и основатель Института физиологии растений им. КА Тимирязева РАН. Впервые показал способность растений к фотосинтезу в условиях искусственного освещения. Светокультура. Выращивание растений в условиях закрытого грунта. (1835 -1918).

Вирусы были открыты физиологом растений Д. И. Ивановским Д. И. Ивановский Вирус табачной мозаики (1864 -1920) Вирусы инфицируют как человека, так и растения, вызывая многие болезни, например, СПИД, гепатит, грипп, некоторые формы рака , полиомелит и др. Image Copyright 1994 Rothamsted Research.

Изучение фотосинтетических пигментов привело к разработке хроматографического метода разделения веществ М. С. Цвет (1872 -1919)

Д. А. Сабинин Автор теории минерального питания растений, с развитием которой связан один из этапов зеленой революции

Академик М. Х. Чайлахян • Автор гормональной теории развития растений (теория получила подтверждение 70 лет спустя) Гормональная теория развития растений М. Х Чайлахян Изд-во АН СССР, 1937. 197 стр. Регуляция цветения высших растений М. Х Чайлахян "Наука", 1988. 558 стр. НЕУЛОВИМЫЙ ФЛОРИГЕН 1902 – 1991

Академик АЛ Курсанов • Создана теория транспорта ассимилятов Инициатор перевода классической физиологии растений на «рельсы» физико-химической биологии Событием мировой научной мысли стала фундаментальная монография А. Л. Курсанова «Транспорт ассимилятов в растении» М. : Наука, 1976. 646 с. (1902 – 1999)

чл. -корр. АН СССР И. И. Туманов Создатель теории адаптации растений к низким отрицательным температурам (1894 – 1985)

чл. -корр. РАН АА Ничипорович Разработал теорию фотосинтетической продуктивности растений (1899 – 1995)

чл. -корр. РАН Р. Г. Бутенко Биология, физиология, биохимия и генетика культивируемых in vitro клеток растений Созданы фундаментальные основы клеточной биотехнологии растений (1920 – 2004)

Физиология растений, как Физиология растений как фундаментальная наука, глобальных вовлекается в решение имеет широкие практические приложения общечеловеческих проблем 1. Борьба с голодом 2. Борьба с болезнями 3. Сохранение биоразнообразия 4. Сохранение окружающей среды 5. Поиск возобновляемых источников энергии Photo credit: tom donald

Глобальные вызовы Численность населения продолжает увеличиваться… Население планеты возрастет в 3 раза с 1950 (2. 5 миллиарда) до 2020 (7. 5 миллиарда) 1. Проблема голода Необходимо на 70% увеличить производство продовольствия

В мире более 1 млрд человек испытывают Проблема хронический голод голода Это больше, чем население США, Канады и Евросоюза Более 2 млрд человек испытывают хроническую анемию из-за дефицита железа Это население США, Канады, Евросоюза (Source: FAO news release, 19 June 2009) и Китая

Проблема голода Недоедание и голод убивают … детей Каждый год умирают от недоедания 5 млн детей в возрасте до 5 лет, т. е. каждые 6 секунд умирает один ребенок От недостатка в пище витамина А умирает 1 млн детей в год (Source: The State of the World's Children, UNICEF, 2007)

ЧТО МОЖЕТ СДЕЛАТЬ ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ ДЛЯ БОРЬБЫ С ГОЛОДОМ?

ФИЗИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ 150 ЛЕТ БЫЛА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ БАЗОЙ ИНТЕНСИВНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ Обеспечение населения планеты продовольствием Физиология растений - фундаментальная основа 3 -х зеленых революций, каждая из которых приводила к удвоению урожая (минеральное питание, химикаты, короткостебельные сорта растений)

…один из авторов 3 -го этапа зеленой революции Norman Borlaug … Distinguished plant breeder Norman Borlaug 1914 -2009, Nobel Laureate 1970

Генно-инженерные технологии и создание трансгенных сортов растений – одно из направлений развития аграрной индустрии Генная инженерия преодолевает один из наиболее мощных запретов эволюции на обмен генетической информацией между далеко отстоящими видам Физиология трансгенного Физиология трансгенного растения – это ответ физиологов растений растения может стать на появление новых теоретической базой создания технологий высокопродуктивных безопасных для человека и окружающей среды сортов растений

Получение трансгенных растений в настоящее время превратилось в рутинную техническую проблему

А Б Генная инженерия преодолевает один из наиболее мощных запретов эволюции на обмен генетической информацией между далеко отстоящими видами А – трансформация двудольных растений с помощью Ti- плазмиды Б – трансформация однодольных растений с помощью метода биологической баллистики

Получение холодоустойчивых растений табака с геном des. C цианобактерии Нормальная температура ИЗМЕНЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ МЕМБРАН ПОД ДЕЙСТВИЕМ НИЗКИХ Жидкокристаллическая фаза ТЕМПЕРАТУР Пониженная температура десатуразы Зона фазового перехода Жидкокристаллическая фаза Фаза геля

Влияние низких температур на рост контрольных и трансгенных растений табака контроль des. C+

Трансформация рапса геном пролиндегидрогеназы в антисмысловой ориентации повышает солеустойчивость растений трансгенные растения линия At-PDH-O-R-52 нетрансгенные растения- регенеранты 0 100 150 200 Na. Cl, м. M 0 100 150 200

ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТРАНСГЕННЫХ СТРЕСС-ТОЛЕРАНТНЫХ РАСТЕНИЙ (в том числе засухоустойчивых) Получены трансгенные растения рапса с геном трансфакторного белка риса (Os. Myb 4). Показано, что эти растения имели повышенную холодо- и морозоустойчивость, а также устойчивость к ТМ, в основе которой лежит активация синтеза вторичных метаболитов, обладающих антиоксидантными свойствами. Полученные растения обладают повышенной устойчивостью также и к водному дефициту Raldugina G. N. et al (in press)

Решение фундаментальных проблем биологии Генотерапия наследственных заболеваний Создание новых лекарственных препаратов, косметических средств и получение технического сырья Конструирование новых сортов растений Генная инженерия преодолевает один из наиболее мощных запретов эволюции на обмен генетической информацией между далеко отстоящими видами

В мире 160 млн га занято ГМ сортами сельскохозяйственных растений (прирост площадей 10 млн га в год) Ø соя Ø кукуруза Ø рапс Ø картофель Ø хлопчатник 95% всех ГМ растений выращивается в 5 странах v США v Канада v Бразилия v Аргентина v Китай

ФЕНОТИПИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ ТРАНСГЕНОВ В КОММЕРЧЕСКИХ СОРТАХ Устойчивость к гербицидам 71% Устойчивость к насекомым 28% Другие признаки 1% Устойчивость к вирусам Изменение состава масла Изменение сроков созревания Мужская стерильность Где устойчивость к засухе, к низким температурам, засолению, техногенным факторам?

ЧТО ЖЕ ЛИМИТИУЕТ СОЗДАНИЕ СТРЕСС-ТОЛЕРАНТНЫХ СОРТОВ С/Х КУЛЬТУР? 1. Полигенность признаков устойчивости растений к повреждающим факторам 2. Неумение современной ГИ одновременно манипулировать многими генами 3. Недостаток фундаментальных знаний по механизмам устойчивости растений и механизмам регуляции и функционирования генома

Какие растения желательно получать методами ГИ § Засухо-, холодо-, солеустойчивые § Устойчивые к патогенам § С меньшей потребностью в воде и в минеральных удобрениях § С повышенным содержанием полезных элементов

Более длинная корневая система повышает засухоустойчивость растений Устойч. Дикий тип к засухе Получение растений с более длинной корневой системой позволит им расти в засушливых регионах Проростки Зрелые растения Yu, H. , et al. Plant Cell 2008; 20: 1134 -1151

Повышение эффективности поглощения питательных веществ Более эффективные транспортные системы корней могут снизить потребность растений в минеральных элементах

Получение растений, обогащенных витаминами и микроэлементами () Fe-обогащенный рис Томаты дикого типа и Рис, обогащенный обогащенные витамином А антиоксидантами

Повышение сохранности урожая после сбора – одна из задач физиологов растений После сбора фрукты становятся мягкими, спелыми, и обычно начинают гнить. Эти процессы делают фрукты менее привлекательными и снижают их пищевые качества

БЕЗОПАСНЫ ЛИ СОВРЕМЕННЫЕ ТРАНСГЕННЫЕ СОРТА С/Х КУЛЬТУР И ПОЛУЧЕННЫЕ ИЗ НИХ ПРОДУКТЫ?

Food and Chemical Toxicology journal homepage: www. elsevier. com/locate/foodchemtox Seralini, G. -E. , et al. Long term toxicity of a Roundup herbicide and a Roundup- Tolerant genetically modified maize. Food Chem. Toxicol. (2012), http: //dx. doi. org/10. 1016/j. fct. 2012. 08. 005 Gilles-Eric Seralini a, ⇑, Emilie Clair a, Robin Mesnage a, Steeve Gress a, Nicolas Defarge a, Manuela Malatesta b, Didier Hennequin c, Joлl Spiroux de Vendфmois a a University of Caen, Institute of Biology, CRIIGEN and Risk Pole, MRSH-CNRS, EA 2608, Esplanade de la Paix, Caen Cedex 14032, France b University of Verona, Department of Neurological, Neuropsychological, Morphological and Motor Sciences, Verona 37134, Italy c University of Caen, UR ABTE, EA 4651, Bd Marйchal Juin, Caen Cedex 14032, France Maize R-tolerant NK 603 (Monsanto Corp. , USA)

Seralini, G. -E. , et al. Long term toxicity of a Roundup herbicide and a Roundup-Tolerant genetically modified maize. Food Chem. Toxicol. (2012), http: //dx. doi. org/10. 1016/j. fct. 2012. 08. 005

Австрийское правительство опубликовало результаты исследования, подтверждающие, что ГМ злаки могут быть опасны для здоровья. Австрийские ученые показали, что мыши, 33% рациона которых составляла ГМ- кукуруза компании "Монсанто" (NK 603 x MON 810), в третьем и четвертом пометах рождали меньше детенышей. Вес мышат также становился меньше. Контрольные животные, имели нормальные репродуктивные циклы. Нарушение генеративной функции. Данный вид кукурузы одобрен к выращиванию и употреблению в пищу во многих странах (Аргентина, США, Япония, Филиппины, ЮАР, Россия, Мексика, Евросоюз). Безопасность ГМ продуктов питания пока не может гарантировать никто

кофеин Глобальные вызовы 2. Борьба с болезнями Растение как источник огромного числа разнообразных биологически активных соединений Вторичный метаболизм – специфика растений витамин С витамин А ванилин морфин

Растения синтезируют сотни соединений, которые мы используем в медицине, косметике и фармакологии • Ива (Salix) – источник аспирина • Наперстянка (Digitalis purpurea) – источник кардио-препаратов • Тисс (Taxus brevifolia) – источник таксола (антиканцерогенный препарат) • Кофейное дерево (Coffea arabica) and чай источник кофеина (стимулятор) • Жень-шень (Taxus baccata) – источник гинзенозидов

Миллионы людей ежегодно умирают от малярии Кора хинного дерева содержит соединение, хинин, которое убивает Plasmodium Возбудитель малярии - хинин простейшее одноклеточное животное Plasmodium Однако Plasmodium развивает устойчивость к хинину Image credits: Köhler; CDC

Растение Artemisia annua содержит другое антималярийное соединение Артемизин Artemisia использовали в Китае тысячи лет назад. В 1972 артемизин был очищен. Photo credit: www. anamed. net

Можно получать биологически активные соединения из дикорастущих видов растений, но при этом возникают следующие проблемы: Многие биологически активные вещества синтезируются редкими и исчезающими видами растений; сырьевая база в данном случае ограничена или полностью отсутствует. • Растения очень медленно растут и достигают коммерческой зрелости лишь в возрасте 5 -7 и более лет. • Растения, выращенные в открытом грунте, часто загрязнены техногенными и антропогенными факторами.

Какие технологии предлагает физиология растений для получения Биологически активных соединений? Изолированные органы растений - суперпродуценты важнейших лекарственных соединений и косметических средств Фундаментальная база этих технологий – физиология изолированных органов

Культивируемые in vitro корни растений, трансформированные Ri- плазмидой - уникальная растительная система для получения ценных лекарственных соединений Разработка этой системы и создание на ее основе инновационных технологий базируется на фундаментальных знаниях, полученных в области физиологии изолированных органов – одной из областей физиологии растений

Культивируемые in vitro корни ценных лекарственных растений Преимущества корневой культуры: 1. быстрый (в 30 -40 раз быстрее) непрерывный рост корней 2. дешевая питательная среда без гормонов; 3. генетическая стабильность культуры; 4. сохранение способности корней к синтезу вторичных метаболитов. Корневая культура марены красильной в биореакторе Корни получают при трансформации стерильных проростков с помощью Т-ДНК дикого штамма почвенной агробактерии Agrobacterium rhizogenes HPLC профиль антрахинонов корневой культуры марены

Изолированные Шлемник трансгенные корни байкальский размножается лекарственных семенами, зацветает растений на 8 -10 год Корни исчезающего лекарственного растения шлемника байкальского, внесенного в Красную книгу, содержат флавоны, которые обладают высокой антиоксидантной, антибактериальной, цитостатической и гипотензивной активностью HPLC профиль флавонов спиртовых экстрактов А 1 Корни интактного растения 2 4 3 В байкалин и байкалеин 2 (1) (3) Культивируемые корни 1 4 3 Кузовкина ИН вогонин и вогонозид Культивируемые (с 2000 года) корни шлемника (2) (4) (5 -недельного возраста)

В культивируемых in vitro корнях шлемника байкальского доминирующим флавоном является вогонин с селективной антиканцерогенной активностью А байкалин OCH 3 RO OH O 6 -недельные корни вогонозид R = глюкуроновая к-та шлемника in vitro Б вогонозид байкалин Лиофильно высушенный «урожай» корней шлемника после их 6 -недельного вогонин R = H выпащивания в колбах ВЭЖХ-профили флавонов корней шлемника: А – Кузовкина И. Н. корни целого растения; Б – культивируемые корни

Культивирование корней шлемника байкальского в биореакторе швейцарской фирмы ROOTec 6 -недельные январь-февраль 2012 г. 8 -недельные корни в биоректоре корни шлемника вне биореактора

Какие технологии предлагает физиология растений для получения биологически активных соединений? Культивируемые in vitro клетки растений - уникальная система для получения ценных лекарственных соединений и Растения синтезируют решения фундаментальных тысячи ценных проблем биологии биологически активных соединений Фундаментальная основа этих технологий – физиология изолированных клеток растений

Раиса Георгиевна Бутенко Основатель работ по культуре клеток высших растений в нашей стране

Что представляют собой культивируемые in vitro клетки растений ?

Каллусная культура клеток - это неорганизованная растущая масса дедифференцированных клеток растений Этой фотографии более полувека: тогда культуру клеток считали сообществом практически одинаковых делящихся клеток. . . Возраст культуры – 50 лет

Каллусогенез и дедифференцировка

Характеристика каллусных культур А. Макроскопическая Окраска: белая - желтая – оранжевая – бурая – темная - пигментированная

Характеристика каллусных культур А. Макроскопическая. Консистенция: твердая, рыхлая, «растекающаяся» по поверхности

Характеристика каллусных культур В. Микроскопическая. Разнообразная форма клеток Размер клеток – 200 мкм (до 600 – 1000) Наличие большой вакуоли Небольшое отношение Vя/Vцит

Гетерогенность популяций культур клеток высших растений - основа адаптационных возможностей системы Морфологическая - клетки Генетическая - различное число хромосом в табака в суспензии клетках женьшеня перестройки хромосом в клетках пшеницы Биохимическая - флуоресенция клеток диоскореи в культуре

Уникальные свойства клеток растений, на которых базируются клеточные биотехнологии 1. Неограниченный рост (морковь Готре – с 1934 года) 2. Синтез вторичных метаболитов 3. Высокий регенерационный потенциал 5. Тотипотентность клеток растений

Морфогенез in vitro

Соматический эмбриогенез цитрусовых Стадия глобулы Стадия торпедо Проростки Стадия сердца

Соматический эмбриогенез 2 Rauwolfia vomitoria 1 – каллус; 2 – эмбриоид.

Соматический эмбриогенез Rauwolfia vomitoria 3 3 – проросток; 4 – растения, полученные in vitro. 4

Суспензионные культуры клеток растений – это новая биологическая система: экспериментально созданная популяция соматических клеток Диоскорея Свекла Пшеница Тимофеева

Преимущества использования культур клеток высших растений для получения биологически активных веществ Абсолютная экологическая Возможность получения биомассы редких и исчезающих чистота производства биомассы культуры клеток видов растений (отсутствие в биомассе пестицидов, гербицидов, радиоактивных соединений и других поллютантов). Гарантированное получение растительной биомассы с заданными характеристиками независимо от сезона, климатических Высокие скорости получения и погодных условий; биомассы: до 2 граммов сухой биомассы с литра среды за сутки (прирост корня Более высокое содержание женьшеня на целевого продукта, чем в плантации - 1 г в год); интактном растении

Выращивание клеток в колбах на качалке и в биореакторах

Культуры клеток тиса – продуценты противоопухолевых дитерпеноидов Тис ягодный Получение культур клеток Taxus baccata Среды: MS Gb W Паклитаксел (таксол) Ростовые характеристики суспензионной культуры Индекс роста I 11 - 13 Содержится в коре дерева Экономический коэффициент Y 0, 46 в количестве 0, 01 - 0, 035% Продуктивность по сухой массе P 0, 55 г/л сутки Цена 1 кг таксола более 2 Удельная скорость роста 0, 13 – 0, 18 сут-1 миллионов US$ Полученные культуры клеток содержат баккатин-III и паклитаксел

Женьшень Panax sp. и структура гинзенозидов - тритерпеновых гликозидов даммаранового ряда и гликозидов олеаноловой кислоты Rg-группа Широко распространены Rb-группа Гинзенозид Ro Биологическая активность: Гинзенозид Rb 1 Гинзенозид Rg 1 Даммараны Гипотензивный эффект Гипертензивный эффект Седативное действие Активирует ЦНС характерны только Антиконвульсант Активирует моторику для рода Panax

Биореакторы промышленного объема и получаемая биомасса культуры клеток женьшеня

Получение лекарственных препаратов и пищевых добавок на основе культур клеток высших растений Совместно с НПФ «Биофармтокс» (С-Петербург) на основе биомассы культуры клеток полисциаса Polyscias filicifolia созданы нутрицевтики «Витагмал» , «Трифитол» , серия мазей «Витагмалин» . Биомасса нарабатывается на установках Отдела биологии клетки ИФР РАН (биореакторы объемом 0, 63 м 3)

Практическое использование культур клеток высших растений Микроклональное размножение растений Оздоровление посадочного материала Клеточная селекция

С/х биотехнология. Микроклональное размножение растений

Клеточная селекция пшеницы на устойчивость к недостатку кислорода. (для селекции использовали эмбриогенный каллус) Получение каллуса Рост каллуса Каллус после селекции Регенерация С помощью клеточной растений из устойчивых клеток селекции получены Выживаемость растений пшеницы растения пшеницы после затопления, % толерантные к Исходные 33, 3 недостатку После селекции 72, 7 кислорода Выживаемость потомства толерантных растений пшеницы после 8 дней затопления, % Исходные 0 Регенеранты без селекции 4, 5 Регенеранты после селекции 32

Глобальные вызовы 3. Сохранение биоразнообразия

РАЗРАБОТКА ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ СОХРАНЕНИЯ БИОРАЗНООБРАЗИЯ ГЕНОФОНДОВ РЕДКИХ И ИЗЧЕЗАЮЩИХ ВИДОВ РАСТЕНИЙ

Растения после хранения при -196°С Сохранение ценных штаммов- продуцентов Орхидея и исчезающих видов путем криоконсервации После хранения при -196°С Диоскорея балкалнская D. balcanica Морфогенный каллус диоскореи кавказской D. caucasica Роза сорта Peter Frankenfeld

Криосохранение меристем ценных сортов декоративных и плодовых культур Земляника после хранения при - Роза после хранения 196 о. С при -196 о. С

Орхидеи, выращенные из семян, хранившихся в жидком азоте (-196°С) Encyclia cochleata Calantha vestita

Всероссийская коллекция культур клеток высших растений В коллекции представлены как каллусные, так и суспензионные культуры клеток около 60 видов и 30 семейств в основном двудольных растений. Линии клеток поддерживаются как в каллусах, так и в суспензиях. Общее количество единиц хранения – 80.

Глобальные вызовы 4. Сохранение окружающей среды Теоретическая основа – экологическая физиология растений

Физиология растений и глобальная экология Как ответят растения на катастрофически быстрые, с эволю- ционной точки зрения, почти мгновенные, изменения окружающей среды и климата?

Глобальные вызовы 5. Поиск возобновляемых источников энергии

Растения продуцируют основную часть химически запасенной энергии, которую мы используем в качестве топлива CO 2 Растения превращают CO 2 в процессе фотосинтеза в сахара.

Растения могут быть источником биотоплива Создание растений – суперпродуцентов изопрена Солнечная энергия Сахара, крахмал и целлюлоза могут в процессе ферментации превращаться в этанол Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

Растения могут быть Создание растений – суперпродуцентов источником биодизеля изопрена Биодизель получают из рапса, водорослей и сои, который заменяет традиционное дизельное топливо Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.

Физиология растений – фундаментальная основа современных биотехнологий Физиология растений вовлекается в решение глобальных общечеловеческих проблем Физиология растений развивается в соответствии со своей внутренней логикой и запросами жизни

Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова Институт физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН Спасибо за внимание Томский государственный университет