Лаборатория дыхания растений и механизмов его регуляции

РУКОВОДИТЕЛЬ:

ШУГАЕВ
Александр Григорьевич

заведующий лабораторией,
ведущий научный сотрудник,
доктор биологических наук

Телефон: +7 (499) 678-53-40
E-mail: ag_shugaev@ippras.ru
Профиль на E-library
Профиль на Researchgate

СОТРУДНИКИ:

ИССЛЕДОВАНИЯ:

Основные направления работы:

• с целью выяснения роли митохондрий в формировании устойчивости растений к абиотическому стрессу, продолжается изучение изменений структуры и функциональной активности митохондрий, а также механизмов регуляции дыхания в ответ на действие засухи, гипертермии и других стресс-факторов внешней среды;
• проводится исследование функциональных аспектов гормональной регуляции дыхания. Изучается влияние салициловой кислоты (СК), мелатонина и других фитогормонов на метаболизм митохондрий, включая: процесс окислительного фосфорилирования, генерацию АФК, индукцию поры повышенной проницаемости внутренней мембраны. Совместно с сотрудниками Лаборатории экспрессии генома растений ИФР РАН, изучается влияние СК и мелатонина на экспрессию митохондриальных генов;
• продолжается изучение альтернативных путей митохондриального окисления, механизмов их регуляции и роли при неблагоприятных воздействиях окружающей среды;
• исследование метаболических взаимоотношений партнеров симбиоза в корневых клубеньках бобов, в частности, изучение транспорта интермедиатов ЦТК (малата, сукцината) через симбиосомную мембрану, как основных С-субстратов для азотфиксации и дыхания бактероидов;
• с целью выявления протекторного действия на растения изучается влияние различных биологически активных веществ (фитогормонов, антиоксидантов, доноров оксида азота и др.) на прорастание семян, рост проростков, дыхание митохондрий, состав липидов мембран и уровень ПОЛ в условиях абиотического стресса.

Объекты исследований:

Основным объектом исследований являются интактные митохондрии, выделенные из этиолированных проростков гороха, пшеницы, семядолей люпина, и некоторых других растений, выращиваемых как в нормальных условиях, так и при действии неблагоприятных факторов среды (засухи, экстремальной температуры, гипоксии и др). Кроме того, в лаборатории проводятся исследования на везикулах симбиосомной мембраны, интактных симбиосомах и бактероидах корневых клубеньков бобов. В последнее время изучается интенсивность дыхания и активность различных путей митохондриального окисления в тканях и органах растений, например, дыхание листьев арабидопсиса дикого типа и его мутантов, а также дыхание зародышей гороха, на начальном этапе прорастания семян.

В прошлые годы исследования проводились на митохондриях, выделенных из корнеплодов сахарной свеклы в ходе онтогенеза растений. Также исследовалось влияние водного дефицита на дыхание проводящих пучков черешков листьев сахарной свеклы.

Методы исследований:

• отработаны методики выделения интактных митохондрий растений и всесторонней характеристики функциональной активности органелл (определение интенсивности окисления интермедиатов ЦТК и скорости окислительного фосфорилирования, величины дыхательного контроля (ДК), с использованием полярографической техники и кислородного электрода типа Кларка, в том числе с использованием универсальной системы Oxyterm System («Hansatech Instruments», Англия);
• путем дифференциального центрифугирования в градиентах плотности перкола, а затем сахарозы получение субклеточных фракций симбиосом, бактероидов и везикул симбиосомной мембраны;
• используются спектрофометрические и флуориметрические методы и приборы, например, спектрофлуориметр Hitachi-850 («Hitachi», Япония), для определения величины мембранного потенциала митохондрий, скорости образования активных форм кислорода (АФК), активностей антиоксидантных ферментов и механизмов транспорта ионов и метаболитов через мембраны митохондрий, симбиосом и бактероидов;
• применяются различные подходы для определения устойчивости растений к неблагоприятным факторам, в частности, по способности поддерживать целостность и работоспособность митохондрий (целостность мембран органелл, наличие ДК и мембранного потенциала), а также по определению содержания АФК и уровня ПОЛ в митохондриях и тканях растений при действии стресс-факторов.

Ключевые достижения:

1. Впервые показана и частично охарактеризована работа К⁺ — унипортера (РмитоК_АТФ), катализирующего электрогенный транспорт калия в матрикс митохондрий, что приводит к разобщению дыхании и набуханию органелл в растворах KCl. Постулируется центральная роль РмитоК_АТФ, наряду с К⁺/Н⁺ — антипортером, в регуляции энергетики и объема матрикса митохондрий.
2. Впервые на митохондриях растений выявлен и изучен механизм, регулирующий конкуренцию при одновременном поступлении в дыхательную цепь восстановительных эквивалентов от различных начальных дегидрогеназ ЭТЦ.
3. Впервые обнаружено, что при окислении сукцината в митохондриях растений салициловая кислота индуцировала повышенную проницаемость внутренней мембраны для протонов, вследствие открытия в ней АФК- и Са²⁺-зависимого канала или поры (mPTP), функционирующей в состоянии низкой проводимости. Постулируется, что индукция поры защищает митохондрии от окислительного стресса, предотвращая сверхнакопление в матриксе АФК и Са²⁺.
4. В симбиосомной мембране (СМ) корневых клубеньков впервые идентифицирована и охарактеризована кальмодулин (КМ)- зависимая Ca²⁺-АТФаза (Ca²⁺-насос), катализирующая активный транспорт Ca²⁺ из цитозоля в симбиосому против градиента концентрации. Также показано, что локализованная в СМ АТФаза функционирует как электрогенный протонный насос т.е. Н⁺-АТФаза Р-типа.
5. Впервые показан обратимый переход комплекса I ЭТЦ из активного (А), в деактивированное (Д) состояние при окислении НАД-зависимых субстратов в митохондриях растений в условиях гипертермии.
6. На интактных митохондриях растений впервые показано, что мелатонин существенно снижал генерацию АФК (перекиси водорода) при окислении дыхательных субстратов.
7. Показано, что обработка семян и проростков гороха мелатонином, а также ресвератролом или донором оксида азота (ТНКЖтио) предотвращала торможение роста растений в условиях дефицита воды. Высказывается предположение, что защитные свойства препаратов обусловлены их способностью снижать уровень ПОЛ в мембранах митохондрий.

ПУБЛИКАЦИИ:

Наиболее значимые публикации за последние 5 лет:

1. Generozova I.P., Vasilev S.V., Butsanets P.A., Shugaev A.G. Effect of melatonin and dehydration on lipid peroxidation level and respiration of Pea embryos, growth of seedlings, and oxidative activity of mitochondria in epicotyls // Russ. J. Plant Physiol. 2024. V. 71: 23 DOI: https://doi.org/10.1134/S1021443724604282
2. Krylova V.V., Shugaev A.G. pH-dependent transport of malate in vesicles of the symbiosome membrane from Broad Bean root nodules // Russ. J. Plant Physiol. 2024. V. 71: N 6.
3. Шугаев А.Г., Буцанец П.А., Шугаева Н.А. Ca²⁺ — зависимая регуляция протонной проницаемости внутренней мембраны митохондрий семядолей люпина // Физиология растений 2023. Т. 70, № 4. С. 372 — 381. https://doi.org/10.31857/S0015330322600814
4. Буцанец П.А., Шугаева Н.А., Шугаев А.Г. Пора неспецифической проницаемости (mPTP) в митохондриях растений и ее роль в гибели клеток // Физиология растений. 2023.Т. 70, № 6, С.563 — 576. http://doi/org/10.31857/S0015330323600341
5. Krylova V.V., Zartdinova R.F., Izmailov S.F. (2023) pH and pCa — factors controling the action of calmodulin on Ca²⁺ — ATPase in the symbiosome membrane from broad bean root nodules. Russian Journal of Plant Physiology (English version). V. 70: 77.
6. Бычков И.А., Кудрякова Н.В., Шугаев А.Г., Кузнецов Вл.В., Кузнецов В.В. Рецептор мелатонина CAND2/PMTR1 участвует в регуляции экспрессии митохондриальных генов при фотоокислительном стрессе // Доклады РАН. Науки о жизни. 2022. Т. 502. С. 21–27. DOI: https://doi.org/10.31857/S2686738922010061
7. Шугаев А.Г., Буцанец П.А., Шугаева Н.А. Влияние повышенной температуры на окисление НАД-зависимых субстратов и активность альтернативной оксидазы в митохондриях семядолей люпина // Физиология растений. 2022. Т. 69. № 4. С. 373 — 385. DOI: https://doi.org/10.31857/S0015330322040157
8. Генерозова И.П., Васильев С.В., Буцанец П.А., Шугаев А.Г. Совместное действие мелатонина и водного дефицита на рост, уровень МДА и дыхание митохондрий гипокотилей и корней люпина // Физиология растений. 2022. Т. 69. № 5. C. 501 — 510. DOI: https://doi.org/10.31857/S0015330322050074
9. Zhigacheva I.V., Krikunova N. I., Generozova I.P., Butsanets P.A., Gerasimov N. Yu., Vasiliev S.V. Sodium μ2-dithiosulfate-tetranitrosyl diferrate tetrahydrate increases the efficiency of respiratory chain activity in mitochondria of pea seedlings // Biophysics (Russian). 2022. V. 67.: N. 4. P. 534–540. https://doi.org/10.1134/S0006350922040236
10. Butsanets P.A., Shugaeva N.A., Shugaev A.G. Identification of mitochondrial alternative oxidase genes in Lupinus luteus and the effect of salicylic acid on their expression // Biol. Bulletin. 2022. V. 49.: N. 6. P.608-614. https://doi.org/10.1134/S1062359022060048
11. Krylova V.V., Zartdinova R.F., Izmailov S.F. CaM-stimulated Ca²⁺-ATPase activity on the symbiosome membrane from broad bean root nodules and its sensitivity to chlorpromazine // Acta Physiol. Plant. 2021. V. 43: 30. https://doi.org/10.1007/s11738-020-03196-9
12. Буцанец П.А., Шугаева Н.А., Шугаев А.Г. Влияние мелатонина и салициловой кислоты на генерацию активных форм кислорода в митохондриях семядолей люпина // Физиология растений. 2021. Т. 68. № 4. С. 421 — 429. DOI: https://doi.org/10.1134/S1021443721040038
13. Zhigacheva I., Binykov V., Krikunova N., Generozova I., Rasulov M. Iron-sulfur-nitrosyl complex increases the resistance of pea seedlings to water deficiency // Current Chemical Biology. 2020. V. 14. P. 203-215. DOI: https://doi.org/10.2174/2212796814999200907162619
14. Generozova I.P., Butsanets P.A., Shugaev A.G. Mitochondrial respiration after combined action of dehydration and low temperature in pea seedlings // Biologia Plantarum. 2019. V. 63. Issue 1. P. 11-19. DOI: https://doi.org/1032615/bp.2019.002

Наиболее значимые публикации за все время:

1. Буцанец П.А., Баик А.С., Шугаев А.Г., Кузнецов В.В. Мелатонин ингибирует продукцию перекиси водорода митохондриями растений // Доклады академии наук. 2019. Т. 487. № 6. С. 94–97. DOI: https://doi.org/10.1134/S1607672919060036
2. Шугаев А.Г., Буцанец П.А., Шугаева Н.А. Салициловая кислота индуцирует протонную проницаемость внутренней мембраны митохондрий семядолей люпина. Физиология растений, 2016. Т. 63. С. 765-776. https://doi.org/10.1134/S1021443716060091
3. Shugaev, A.G., Butsanets, P.A., Andreev, I.M., Shugaeva N.A. Effect of salicylic acid on the metabolic activity of plant mitochondria. Russ J Plant Physiol 2014.V. 61, P. 520–528 https://doi.org/10.1134/S1021443714040189
4. Zhigacheva I., Burlakova E., Misharina T., Terenina M., Krikunova N., Generozova I., Shugaev A. Fatty acid composition and activity of the mitochondrial respiratory chain complex I of pea seedlings under water deficit // Biologia 2013. V. 59. P. 241–249 https://doi.org/10.6001/biologija.v59i3.2786
5. Генерозова И.П., Маевская С.Н., Шугаев А.Г. Ингибирование метаболической активности митохондрий проростков гороха в условиях водного стресса // Физиология растений. 2009. Т. 56. С. 374-380. https://doi.org/10.1134/S1021443709010063
6. Шугаев А.Г., Генерозова И.П., Шугаева Н.А., Выскребенцева Э.И. Метаболическая активность митохондрий растений в гипертонических растворах сахарозы // Физиология растений. 2008. Т. 55. С. 374–380. https://doi.org/10.1134/S1021443708030084
7. Шугаева Н.А., Выскребенцева Э.И., Орехова С.О., Шугаев А.Г. Влияние водного дефицита на дыхание проводящих пучков листового черешка сахарной свеклы // Физиология растений, 2007. Т. 54. С. 373-380. https://doi.org/10.1134/S1021443707030065
8. Andreev I., Krylova V., Dubrovo P., Izmailov S. Passive potassium transport by symbiosomes from yellow lupin root nodules // Plant Science, 2005. V. 168. P. 1005-1010. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2004.11.017
9. Шугаев А.Г., Андреев И.М., Выскребенцева Э.И. Функциональная идентификация АТФ-чувствительного К±унипортера в митохондриях корнеплода сахарной свеклы // Физиология растений, 2005. Т. 52. С. 209-215. https://doi.org/10.1007/s11183-005-0027-4
10. Vartapetian B.B., Andreeva I.N., Generozova I.P., Polyakova L.I., Maslova I.P., Stepanova A.Yu. (2003) Functional electron microscopy in studies of plant response and adaptation to anaerobic stress // Ann. Bot., 91, 155-172. https://doi.org/10.1093/aob/mcf244
11. Andreev I.M., Dubrovo P.N., Krylova V.V., Izmailov S.F. Functional identification of ATP-driven Ca²⁺ pump in the peribacteroid membrane of broad bean root nodules // FEBS Lett., 1999. V. 447. P. 49-52. https://doi.org/10.1016/S0014-5793(99)00262-8
12. Shugaev A.G. Alternative cyanide resistant oxidase in plant mitochondria: structure, regulation of activity and presumable physiological role // Russ. J. Plant Physiol. 1999. Т. 46. С. 262-273.
13. Shugaev A.G., Bukhov N.G. Opposite trends of seasonal changes in ADP content and respiration rate in sugar beet roots // J. Plant Physiol. 1997. V. 150. P. 53 — 56. https://doi.org/10.1016/s0176-1617(97)80180-0
14. Шугаев А.Г., Выскребенцева Э.И. Сукцинат «монополизирует» дыхательную цепь митохондрий растущих корнеплодов сахарной свеклы // Физиология растений. 1988. Т. 35. С. 421 −428.
15. Шугаев А.Г. Сопряженное с дыханием набухание в KCl митохондрий корнеплода сахарной свеклы // Биохимия. 1990. Т. 55. С. 731 — 736.

НАУЧНЫЕ ПРОЕКТЫ:

УСЛУГИ:

Перечень услуг:

1. подготовка кадров высшей квалификации для физиологии и биохимии растений. В лаборатории проводится обучение и выполняются практические исследования с участием студентов, дипломников, магистров и аспирантов;
2. выделение митохондрий, отвечающих известным критериям интактности, из широкого круга растительных объектов.

Перечень оборудования:

1. электронная система для изучения дыхания и фотосинтеза (Oxythern system, «Hansatech», Англия);
2. центрифуги разного типа на различные объемы пробирок и разные скорости центрифугирования с охлаждением и без охлаждения;
3. камера для вертикального электрофореза Bio-Rad Mini PROTEAN Tetra («Bio-Rad», США);
4. мини-камера для горизонтального электрофореза Bio-Rad Mini PROTEAN Tetra («Bio-Rad», США);
5. весы аналитические «Peoneer» (Ohaus, Швейцария);
6. весы технические SPU 202 (Ohaus, Швейцария);
7. источник питания PowerPac™ НС (S-3000V) («Bio-Rad», США);
8. рН-метр «MettlerToledo» (КНР);
9. спектрофотометр Specord М40, «Сarl Zeiss» (Германия);
10. микротермостат Термит;
11. термостат с охлаждением ТСО 1/80 (Россия);
12. холодильник «Shivaki» (Япония).

ФОТОГАЛЕРЕЯ:

ИСТОРИЯ:

Лаборатория, была создана в 2003 г. на базе Лаборатории транспорта метаболитов, которой на протяжении многих лет руководил академик А.Л. Курсанов. В поиске движущих сил дальнего транспорта ассимилятов А.Л. Курсанов уделял значительное внимание изучению энергетики проводящих тканей сахарной свеклы и других растений. Впоследствии под руководством Э.И. Выскребенцевой и при участии А.Г. Шугаева было продолжено исследование энергетического метаболизма различных тканей и органов сахарной свеклы. В ходе этих исследований были получены новые важные сведения относительно специфики дыхательного метаболизма запасающих и проводящих тканей, а также механизмов его регуляции.

В настоящее время в лаборатории много внимания уделяется изучению роли митохондрий в формировании устойчивости растений к абиотическому стрессу. С этой целью в экспериментах in vivo и in vitro проводится изучение структурно-функциональных изменений митохондрий и механизмов регуляции дыхания в ответ на действие водного дефицита, экстремальных температур и других неблагоприятных факторов среды. Кроме того, проводятся исследования функциональных аспектов гормональной регуляции дыхания, а также возможных путей передачи гормональных сигналов в митохондрии.

Еще одним направлением наших исследований стало изучение метаболизма, в том числе дыхательного, азотфиксирующих корневых клубеньков бобов, включая механизмы транспорта ионов и метаболитов через мембраны симбиосом и бактероидов.