Группа специализированного метаболизма корней

Руководитель группы — Степанова Анна Юрьевна

Канд. биол. наук

Группа организована в 1989 г. к.б.н. Кузовкиной И.Н.

Основные направления научных исследований

Изучение культуры бородатых корней, как экспериментальной модели.
Выявление особенностей образования физиологически активных соединений в изолированно растущих корнях растений.
Исследование пространственной организации вторичных метаболитов в основных зонах растущих корней для изучения их роли в установлении контактов корней с микрофлорой почвы или иного субстрата.

Группа как научное подразделение Института была создана в январе 1989 года. Тематически она продолжает и развивает исследования, начатые в ИФР РАН профессором А.М. Смирновым в 50-ые годы прошлого столетия. Основное направление работ группы состоит в изучении биосинтетической активности клеток и корневых тканей растений, которая проявляется в их способности к образованию корнеспецифичных низкомолекулярных метаболитов (алкалоидов, кумаринов, фенольных соединений, эфирных масел). Многие из этих корнеспецифичных соединений обладают высокой физиологической активностью, с этим связано практическое использование корнеспецифичных метаболитов в медицинской и пищевой промышленности.

В качестве культивируемых in vitro корней в группе используются, в основном, pRi Т-ДНК трансформированные корни, так называемые hairy roots, полученные при инокуляции стерильных двудольных растений дикими (не модифицированными) штаммами почвенной агробактерии Agrobacterium rhizogenes.

Особенность введенных в культуру in vitro корней состоит в том, что они, стабильно сохраняя способность к синтезу корнеспецифичных метаболитов, растут длительно и интенсивно в питательных средах относительно простого состава, не содержащих экзогенных ростовых веществ. В связи с этим получаемая в итоге масса выращенных корней может быть использована как альтернативное и экологически чистое лекарственное сырье, способное восполнить создавшийся в настоящее время острый дефицит некоторых ценных растений, необходимых для приготовления лекарственных препаратов.

Первоначально основная научная тематика группы была связана с изучением пространственного распределения метаболитов лекарственных растений в основных зонах корня и той возможной роли, которую они могут выполнять в жизнедеятельности растений. В этом направлении работы особый интерес представляют пограничные клетки или «border cells», отделяющиеся от меристемы корня по мере его роста. Они и их содержимое принимают непосредственное участие в установлении контактов корней с микрофлорой ризосферы и участвуют в переносе органического материала корней в почвенный субстрат. Культивирование hairy roots обеспечивает не только получение в итоге большого количества пограничных клеток, но и пролонгацию их жизнедеятельности. Данная работа была проведена на примере пограничных клеток hairy roots руты душистой (Kuzovkina et al., 2004; Кузовкина с соавт., 2009).

Наряду с этим, в группе активно изучалась способность hairy roots к сохранению биосинтеза фармакологически активных соединений, характерных для корней целого лекарственного растения. В качестве основного объекта было использовано одно из наиболее востребованных в фармакопеи растений — Scutellaria baicalensis Georgi. (шлемник байкальский). Это направление становится приоритетным в развитии группы в настоящее время.

В рамках исследований было установлено, что полученные hairy roots шлемника байкальского содержат больше оксиметилированных флавонов, обладающих противоопухолевым действием, чем корни интактных растений (Dikaya et al., 2018; Elkin et al., 2018; Solov'eva et al., 2020; Stepanova et al., 2021). Таким образом, полученные hairy roots S. baicalensis содержат более активные формы флавонов по сравнению с корнями интактных растений, что делает hairy roots перспективным объектом для биотехнологии. Данная культура также является модельным объектом для изучения механизмов образования физиологически ценных флавонов и отработки методов генетической паспортизации коллекции. В настоящее время получены и исследуются культуры hairy roots других видов растений рода Scutellaria.

Сотрудниками Группы создана коллекция культивируемых in vitro корней (PDF —русская версия, англ.версия), насчитывающая около 30 штаммов, полученных от 26 видов растений, относящихся к 17 семействам. Наибольшую часть коллекции составляют корни ценных лекарственных растений, в которых биосинтез физиологически активных вторичных соединений, представляющих интерес для медицинской практики, локализован в подземной части

Важнейшие результаты фундаментальных исследований и прикладных разработок

Исследованы особенности роста и синтеза вторичных метаболитов экспериментально созданной системы — культуры изолированных органов (бородатых корней (hairy roots).
На примере hairy roots растений рода Scutellaria разработаны способы культивирования, позволяющие увеличить в них содержание ценных вторичных метаболитов до уровня, сравнимого с корнями целого растения.
Получены hairy roots Scutellaria baicalensis, стабильно синтезирующие ценные для фармакологии метилированные флавоны.
На примере бородатых корней Ruta graveolens исследована закономерность распределения образующихся в корневых тканях вторичных соединений, а также уточнена роль «пограничных клеток» в установлении контактов корней растения с представителями ризосферы.

Основные публикации

Kuzovkina I.N., Gohar A., Alterman I.E. (1990) Production of beta-carboline alkaloids in transformed root cultures of Peganum harmala L. // Z. Naturforsch. — 1990. —V. 45. — P. 727-772.
Berlin J., Kuzovkina I.N., Rugenhagen C., Fecker L., Commandeur U., Wray V. (1991) Hairy root cultures of Peganum harmala. II. Characterization of cell lines and effect of culture conditions on the accumulation of beta-carboline alkaloids and serotonin // Z. Naturforsch. — 1991. — V. 47. — P. 222-230.
Кузовкина И.Н., Сарка С., Хетели Е., Лемберкович Е., Сёке Е. Состав компонентов эфирного масла генетически трансформированных корней руты душистой // Физиология растений. — 2009. — V. 56. — P. 935-941.
Elkin Y.N, Kulesh, N.I., Stepanova A.Y., Solovieva, A.I., Kargin, V.M., Manyakhin, A.Y. Methylated flavones of the hairy root culture Scutellaria baicalensis // Journal of plant physiology. — 2018. —V.231. — P.277-280. DOI: 10.1016/j.jplph.2018.10.009.
Dikaya, V.S., Solovyeva, A.I., Sidorov, R.A., Solovyev, P.A., Stepanova, A.Y. The relationship between endogenous β-glucuronidase activity and biologically active flavones-aglycone contents in hairy roots of baikal skullcap // Chemistry and biodiversity. — 2018. — V.15(2). DOI: 10.1002/cbdv.201700409.
Solov'eva A.I., Evsyukov S.V., Sidorov R.A., Stepanova A.Yu. Correlation of endogenous β-glucuronidase activity with differentiation of in vitro cultures of Scutellaria baicalensis // Acta Physiologiae Plantarum. — 2020. — V.42:169. DOI: 10.1007/s11738-020-03159-0.
Stepanova A., Malunova M., Salamaikina S., Selimov R., Solov’eva A. Establishment of Rhodiola quadrifida Hairy Roots and Callus Culture to Produce Bioactive Compounds // Phyton-International Journal of Experimental Botany. — 2021. — 90(2). — P. 543–552
Stepanova, A.Y.; Solov’eva, A.I.; Malunova, M.V.; Salamaikina, S.A.; Panov, Y.M.; Lelishentsev, A.A. Hairy Roots of Scutellaria spp. (Lamiaceae) as Promising Producers of Antiviral Flavones. Molecules — 2021. — 26. — 3927. https://doi.org/10.3390/molecules26133927.

Состав группы:

Степанова Анна Юрьевна — ведущий научный сотрудник, к.б.н., заведующий группой
Тел.: 8 (499) 678-53-97; внутренний: 674; e-mail: step_ann@mail.ru

Соловьева Александра Ивановна — старший научный сотрудник, к.б.н.
Тел.: 8 (499) 678-53-97; внутренний: 674; e-mail: alexandras85@mail.ru

Гладков Евгений Александрович — старший научный сотрудник, к.б.н.
Тел.: 8 (499) 678-53-97; внутренний: 674; e-mail: gladkovu@mail.ru

Карпычев Игорь Викторович — старший научный сотрудник, к.б.н.
Тел.: 8 (499) 678-53-97; внутренний: 674; e-mail: ikarpichev@gmail.com

Евсюков Сергей Викторович — м.н.с.
Тел.: 8 (499) 678-53-97; внутренний: 674; e-mail: evsyukov_2013@mail.ru

Кузнецова Екатерина Сергеевна — инженер
Тел.: 8 (499) 678-53-97; внутренний: 674; e-mail: kate.kitty@inbox.ru