Лаборатория дыхания растений и механизмов его регуляции

Краткая история подразделения, основные научные достижения

Лаборатория была создана в конце 2003 году на базе лаборатории транспорта метаболитов, которой на протяжении многих лет руководил академик А.Л. Курсанов. С момента создания лаборатории в поиске движущих сил дальнего транспорта ассимилятов А.Л. Курсанов уделял значительное внимание изучению дыхательного метаболизма проводящих тканей. Впоследствии под руководством Э.И. Выскребенцевой и при участии А.Г. Шугаева было начато исследование энергетического метаболизма сахаронакапливающего органа – корнеплода сахарной свеклы. В ходе этих исследований были получены новые важные сведения относительно специфики энергетики запасающих органов и механизмов ее регуляции. Созданная лаборатория продолжает и существенно развивает эти исследования.

Основные направления исследований сотрудников лаборатории

В настоящее время основными направлениями исследований, проводимых сотрудниками лаборатории, являются:

Исследование 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 растений в ответ на раздельное и совместное действие неблагоприятных факторов окружающей среды (водного дефицита, экстремальных температур, гипоксии).

Изучение функциональных аспектов гормональной регуляции дыхания. Продолжено изучение влияния стрессовых фитогормонов (салициловой кислоты и мелатонина) на метаболизм митохондрий, включая: процесс окислительного фосфорилирования, генерацию активных форм кислорода (АФК) и индукцию повышенной проницаемости внутренней мембраны, вследствие открытия поры.

Изучение природы альтернативных путей митохондриального дыхания, механизмов их регуляции и роли при неблагоприятных воздействиях окружающей среды.

Совместно с сотрудниками Института биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН, изучается влияние некоторых биологически активных веществ, например, антиоксидантов (ресвератрола), доноров оксида азота (железо-серанитрозильного комплекса с тиосульфатом — ТНКЖтио), мелафена и др., на рост проростков гороха и люпина в условиях засухи, дыхание митохондрий и перекисное окисление мембранных липидов (ПОЛ), с целью выявления их возможного протекторного действия на растения.

Среди результатов, полученных за последние 6 лет можно отметить следующие:

1. Впервые показано, что характер регуляторного действия салициловой кислоты (СК) на метаболизм митохондрий (разобщение и/или ингибирование дыхания) зависел не только от ее концентрации, но и от продолжительности инкубации органелл в ее присутствии, а также от физиологического состояния ткани, из которой они были выделены.
2. Показано, что при окислении сукцината в митохондриях семядолей люпина СК индуцировала повышенную проницаемость внутренней мембраны для протонов и одновалентных катионов (ионов К⁺), по-видимому, вследствие открытия в ней специального канала или поры. При этом, необходимым условием такой пермеаблизации мембраны являлось существенное увеличение под влиянием фитогормона генерации АФК дыхательной цепью и возникновение окислительного стресса.
3. Установлено, что геном люпина кодирует как минимум две изоформы альтернативной оксидазы (АО) − LuАох1 и LuАох2 с приблизительной мол. м. 35 кД., экспрессия которых резко возрастала после обработки проростков СК, за счет увеличения содержания мРНК. СК-индуцируемая экспрессия Аох- генов коррелировала с активацией цианид-резистентного дыхания (ЦРД) и увеличением максимальной активности АО, как в семядолях люпина, так и в выделенных из них митохондриях.
4. Впервые получены данные, свидетельствующие о наличии тесной взаимосвязи между изменениями в составе липидов мембран митохондрий, в частности, изменением в составе ненасыщенных жирных кислот с очень длинной цепью, с 18 и 20 углеродными атомами, и нарушением окисления НАД-зависимых субстратов, катализируемого комплексом I ЭТЦ митохондрий проростков гороха в условиях водного дефицита.
5. Кроме того, было показано, что после совместного действия засухи и пониженной температуры, в отличие от их раздельного применения, проростки гороха скорее возобновляли рост, а митохондрии быстрее восстанавливали активность основного, цитохромного пути окисления в ЭТЦ, сопряженного с синтезом АТФ. При этом, окисление малата, катализируемое комплексом I, оказалось более чувствительно к неблагоприятным факторам (НФ) и требовало более длительного времени восстановления, чем окисление сукцината, катализируемое комплексом II.
6. На митохондриях растений (семядолей люпина, эпикотилей гороха) впервые показано, что мелатонин существенно снижал генерацию АФК (перекиси водорода) при окислении дыхательных субстратов. На модельной системе изолированных митохондрий показано, что антиоксидант ресвератрол в диапазоне концентрации (10^-5-10^-12) предотвращал ПОЛ в мембранах митохондрий проростков гороха.
7. Показано, что обработка семян и проростков гороха донором оксида азота (ТНКЖтио) предотвращала торможение роста корней и побегов в условиях дефицита воды. Высказывается предположение, что защитные свойства препарата ТНКЖтио обусловлены его способностью предотвращать ПОЛ.

Список сотрудников лаборатории

Шугаев Александр Григорьевич — заведующий лабораторией, ведущий научный сотрудник, д.б.н.
Тел.: (499) 678-53-40, внутренний: 3-40, e-mail: ag_shugaev@ippras.ru

Генерозова Инна Павловна — старший научный сотрудник, к.б.н.
Тел.: (499) 678-53-40, внутренний: 3-40

Буцанец Павел Андреевич — научный сотрудник, к.б.н.
Тел.: (499) 678-53-40, внутренний: 3-40

Шугаева Наталия Александровна — н.с.
Тел.: (499) 678-53-40, внутренний: 3-40

Васильев Сергей Викторович, инженер;
Тел.: (499) 678-53-40, внутренний: 3-40

В 2019 году сотрудниками были успешно защищены в ИФРе кандидатские диссертации

1. Буцанец П.А. «Влияние салициловой кислоты на метаболическую активность митохондрий растений и экспрессию генов альтернативной оксидазы», по специальности 03.01.05 — физиология и биохимия растений
2. Баик А.С. «Характеристика пролин-специфичной аминопептидазы из одноклеточной водоросли Sinechocyctis sp. PCC 6803», также по специальности 03.01.05 — физиология и биохимия растений

Список основных публикаций сотрудников

Публикации сотрудников лаборатории дыхания растений в 2022 году

(статьи в рецензируемых журналах индексируемых в базах данных WoS, Scopus, РИНЦ и в списке ВАК)

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

Жигачева И.В., Бинюков В.И., Генерозова И.П., Миль Е.М., Крикунова Н.И., Расулов M.М. Натрий µ2-дитиосульфато-тетранитрозилдиферрат тетрагидрат предотвращает обусловленную тепловым шоком дисфункцию митохондрий // Физиология растений. 2022. Т. 69. № 1. С. DOI: https://doi.org/10.31857/S0015330322010225

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

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

Zhigacheva I.V., Krikunova N. I., Generozova I.P., Butsanets P.A., Gerasimov N. Yu., Vasiliev S.V., Goloshchapov A.N. Sodium μ2-dithiosulfate-tetranitrosyl diferrate tetrahydrate increases the efficiency of respiratory chain activity in mitochondria of pea seedlings// Biophysics. 2022. V. 67. No. 4., P. 534 — 540. DOI: https://doi.org/10.1134/S0006350922040236

Буцанец П.А., Шугаева Н.А., Шугаев А.Г. Идентификация генов альтернативной оксидазы митохондрий Lupinus luteus и влияние на их экспрессию салициловой кислоты // Известия РАН. Серия биологическая. 2022. № 6. С. 606 — 613. DOI: https://doi.org/10.31857/S102634702206004X

Zhigacheva I. V., Krikunova N.I., Mil E.3, Generozova I. P , Butsanets P.A.

Functional state of mitochondria in various pea seedling cultivars differing in resistance to water deficiency and influence of iron tetranitrosyl complex with thiosulfate ligands on it // Journal of Agriculture and Environment. 2022. V. 4. N 24. P. 1 — 8. DOI: https://doi.org/10.23649/jae.2022.4.24.07

Публикации сотрудников за 2021г.

Буцанец П.А., Шугаев А.Г. Салициловая кислота повышает устойчивость проростков люпина к гипертермии // Международный научно-исследовательский журнал. 2021. № 12 (2). С. 63 — 66. DOI: https://doi.org/10.23670/IRJ.2021.114.12.043

Gerasimov N. Y., Nevrova O.V., Zhigacheva I. V., Generozova I. P., Goloshchapov A. N. In vitro effects of different resveratrol concentrations on the structural state of mitochondrial membranes isolated from pea leaves // BIOPHYSICS. 2021. V. 66. P. 415–419. DOI: https://doi.org/10.1134/S0006350921030052.4.

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

Публикации сотрудников за 2020г.

Binyukov V. I., Zhigacheva I. V., Mil E. M., Albantova A. A., Generozova I. P. The action of resveratrol on mitochondria of pea seedlings under stress conditions. Data of Atomic Force Microscopy and Fluorometry // Cell Tiss. Biol. 2020. V. 14. P. 74 — 81. DOI: https://doi.org/10.1134/S1990519X20010034

Zhigacheva I.V., Krikunova N.I., Generozova I.P., Rasulov M.M. 2020. Temperature dependence of the fatty-acids composition of mitochondrial membranes of pea seedlings been treating with nitrogen oxide donor under water deficiency // Journal of Agriculture and Environment. 2020. V. 2. P. 13-21. DOI : https://doi.org/10.23649/jae.2020.2.14.3

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

Буцанец П.А., Баик А.С., Шугаева Н.А., Шугаев А.Г. Влияние салициловой кислоты на дыхание и генерацию активных форм кислорода в митохондриях растений // Евразийский союз ученых. 2020. Т. 10. С. 9-15. DOI: https://doi.org/10.31618/ESU.2413-9335.2020.2.79.1043

Жигачева И.В., Васильева С.В., Генерозова И.П., Расулов М.М. Тетранитрозильный биядерный комплекс железа повышает устойчивость проростков гороха и клеток Е. coli к стрессовым воздействиям // Биологические мембраны. 2020. Т. 37. № 2. С. 149-155. DOI: https://doi.org/10.31857/S0233475520020139

Жигачева И.B., Бинюков В.И., Русина И.Ф., Миль И.М., Генерозова И.П. Антиоксидантные и антирадикальные свойства реcвератрола и его антистрессовая активность // Химическая физика. 2020. Т. 39. С. 41-48. DOI: https://doi.org/10.31857/S0207401X20070122

Публикации сотрудников за 2019г.

Бинюков В. И., Жигачева И. В., Миль Е. М., Албантова А. А., Генерозова И. П. Действие ресвератрола на митохондрии проростков гороха в стрессовых условиях. Данные атомно-силовой микроскопии и флуорометрии. Цитология. 2019. Т. 61. N 10. C. 845 — 852 . DOI: https://doi.org/10.1134/S004137711910002X

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

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

Публикации сотрудников за 2018г.

Баик А.С., Миронов К.С., Архипов Д.В., Пиотровский М.С., Пожидаева Е.С. Характеристика аминопептидазы Р одноклеточной цианобактерии Sinechocystis sp. PCC6803. Доклады академии наук. 2018. Т. 478. № 4. С. 478-482. DOI : https://doi.org/10.31857/S086956520001207-0

Жигачева И.В., Генерозова, И.П., Вепринцев Т.Л. Антирадикальные и антистрессовые свойства N-ацетилцис-теинат 2-этил-6-метил-3-гидроксипиридина. Химическая физика. 2018. Т. 2018, Т. 37, № 11, С. 58-62. DOI: https://doi.org/10.1134/S0207401X18100126

Генерозова И.П., Буцанец П.А., Шугаев А.Г. Окислительный стресс у проростков гороха в период восстановления после действия неблагоприятных факторов. Годичное собрание ОФР. Всероссийская научная конференция «Механизмы устойчивости растений и микроорганизмов к неблагоприятным условиям среды». 10-15 июля 2018г. Иркутск. 2018. С. 221-225. DOI: https://doi.org/10.31255/978-5-94797-319-8-221-225

Список основных публикаций сотрудников лаборатории за 2003-2016 годы

Шугаев А.Г., Буцанец П.А., Шугаева Н.А. (2016) Салициловая кислота индуцирует протонную проницаемость внутренней мембраны митохондрий семядолей люпина. Физиология растений, 63, 765-776.

Абдрахимова Й.Р., Андреев И.М., Шугаев А.Г. (2015) Определение скорости генерации АФК в митохондриях растений in vitro с помощью флуоресцентных индикаторов: неспецифические эффекты ингибиторов терминальных оксидаз. Физиология растений, 62, 146-152.

Zhigacheva I., Generozova I., Shugaev A., Misharina T., Terenina M. and Krikunova N. (2015) Organophosphorus plant growth regulators provides high activity Complex I mitochondrial respiratory chain Pisum sativum L seedlings in conditions of insufficient moisture. Annual Research & Review in Biology, 5, 85-96.

Белозерова Н.С., Баик А.С., Буцанец П.А., Кузнецов В.В., Шугаев А.Г., Пожидаева Е.С. (2014) Влияние салициловой кислоты на альтернативный путь дыхания люпина желтого. Физиология растений, 61, 43-52.

Zhigacheva I., Burlakova E., Misharina T., Terenina M., Krikunova N., Generozova I., Shugaev A. (2014) Fatty acid composition and activity of the mitochondrial respiratory chain complex I of pea seedlings under water deficit. Biologia, 59, 241-249.

Шугаев А.Г., Буцанец П.А., Андреев И.М., Шугаева Н.А. (2014) Влияние салициловой кислоты на метаболическую активность митохондрий растений. Физиология растений, 61, 555-564.

Zhigacheva I., Mil1 E., Binukov V., Generozova I., Shugaev A., Fatkullinа L. (2014) Combined effect of insufficient watering, moderate cooling, and organophosphorous plant growth regulator on the morphology and functional properties of pea seedling mitochondria. Annual Research & Review in Biology, 4, 3007-3025.

Binyukov V.I., Mill E.M., Zhigacheva I.V., Albantova A.A., Generozova I.P., Shugaev A.G. (2013) Effect Melaphen on a mitochondria of sprouth of peas under stressful influences by the AFM method. Chapter 18. In: Quantitative chemistry, biochemistry and biology. Steps ahead. Eds.: G.E. Zaikov, O.V. Stoyanov, W. Tyszkiewicz and Z. Weztejuk, Nova Science Publishers. New York, p. 195-204.

Zaikov G.E., Zhigacheva I.V., Burlakova E.B., Misharina T.A., Terenina M.B., Krikunova N.I., Generozova I.P., Shugaev A.G., Fattachov S.G. (2013) Effect of unsufficient watering and melamin salt of bis-(oxymetyl)-phosphonic acid (melaphen) on the fatty acid composition. Chapter 19. In: Progress in polymer materials science, Ed. G.E. Zaikov, O.V. Stoganov, E.I. Kulish, CRC Press. Toronto, New Gersey. USA, p. 187-199.

Zhigacheva I.V., Burlakova E.B., Zaikov, Misharina T.A., Terenina M.B., Krikunova N.I., Generozova I.P., Shugaev A.G., Fattahov S.G. (2013) Content of Unsaturated Fatty Acids Containing 18 and 20 Carbon Atoms in the Total Lipid Moiety of Mitochondrial Membranes Determines the Activity Complex I of Respiration Chain. Polymers Research J. , 7(1) , 139-149.

Жигачева И.В., Бурлакова Е.Б., Мишарина Т.А., Теренина М.Б., Крикунова Н.И., Генерозова И.П., Шугаев А.Г., Фаттахов С.Г. (2013) Жирнокислотный состав липидов мембран и энергетика митохонджрий проростков гороха в условиях дефицита воды. Физиология растений, 60, 205-213.

Бинюков И.Н., Миль Е.М., Жигачёва И.В., Албантова А.А., Генерозова И.П., Шугаев А.Г., Фаттахов С.Г., Коновалов А.И. (2012) Недостаточное увлажнение и мелафен изменяют морфологию митохондрий проростков гороха. Доклады Академии наук, 446, 222-225.

Брыков В.А., Генерозова И.П., Шугаев А.Г. (2012) Структурно–функциональная организация митохондрий корня гороха в условиях моделированной микрогравитации. Цитология и генетика (Украина) , 46, 20-26.

Генерозова И.П., Шугаев А.Г. (2012) Дыхательный метаболизм митохондрий проростков гороха разного возраста в условиях недостатка влаги и реоводнения. Физиология растений, 59(2) , 262-273.

Брыков В.О., Генерозова И.П., Шугаев А.Г., Кордюм Е.Л. (2011) Дыхательная активность митохондрий in vitro корней гороха выращенных в условиях моделированной микрогравитации. Доклады Национальной Академии Наук Украины, Сер. Биол., 9, 142-147.

Белозерова Н.С., Пожидаева Е.С., Шугаев А.Г., Кузнецов В.В. (2011) Салициловая кислота дифференциально регулирует интенсивность транскрипции митохондриальных генов Lupinus luteus L. Доклады Академии наук, 440, 266-269.

Абдрахимова Й.Р., Андреев И.М., Шугаев А.Г. (2011) Участие диссипативных систем в контроле энергетической эффективности дыхания в митохондриях этиолированных проростков озимой пшеницы. Физиология растений, 58, 509-517.

Жигачева И.В., Бурлакова Е.Б., Генерозова И.П., Шугаев А.Г., Фаттахов С.Г., Коновалов А.И. (2011) Регуляторы роста растений мелафен и пирафен предотвращают вызванную временным водным дефицитом дисфункцию митохондрий. Доклады Академии наук, 441, 111-116.

Шугаев А.Г., Лаштабега Д.А, Шугаева Н.А., Выскребенцева Э.И. (2011) Активность антиоксидантных ферментов в митохондриях растущих и покоящихся корнеплодов сахарной свеклы. Физиология растений, 58, 323-329.

Белозерова Н.С., Пожидаева Е.С., Шугаев А.Г., Кузнецов В.В. (2011) Метод run-on транскрипции для изучения регуляции экспрессии митохондриального генома. Физиология растений, 58, 133-138.

Zhigacheva I.V., Burlakova E.B., Generozova I.P., Shugaev A.G., Fattahov S.G. (2010) Ultra-low doses of melafen affect the energy of mitochondria. J. Biophys. Struct. Biol., 2, 1-8.

Шугаев А.Г., Шугаева Н.А., Лаштабега Д.А., Выскребенцева Э.И. (2010) Влияние КСl-среды на окисление сукцината и генерацию перекиси водорода в митохондриях корнеплода сахарной свеклы. Физиология растений, 57, 200-208.

Генерозова И.П., Маевская С.Н., Шугаев А.Г. (2009) Ингибирование метаболической активности митохондрий этиолированных проростов гороха, подвергнутых водному стрессу. Физиология растений, 56, 45-52.

Шугаев А.Г., Генерозова И.П, Шугаева Н.А, Выскребенцева Э.И. (2008) Метаболическая активность митохондрий растений в гипертонических растворах сахарозы. Физиология растений, 55, 374-380.

Жигачева И.В., Бурлакова Е.Б, Шугаев А.Г., Генерозова И.П., Фаттахов С.Г., Коновалов А.И. (2008) Фосфорорганический регулятор роста растений: устойчивость клеток растений и животных к стрессовым воздействиям. Биологические мембраны, 25, 183-189.

Жигачева И.В., Фаткуллина Л.Д., Бурлакова Е.Б, Шугаев А.Г., Генерозова И.П., Фаттахов С.Г., Коновалов А.И. (2008) Влияние фосфорорганического регулятора роста растений на структурнее характеристики мембран растительного и животного происхождения. Биологические мембраны, 25, 150-156.

Шугаева Н.А., Выскребенцева Э.И., Орехова С.О., Шугаев А.Г. (2007) Влияние водного дефицита на дыхание проводящих пучков листового черешка сахарной свеклы. Физиология растений, 54, 373-380.

Егорова Е.А., Бухов Н.Г., Шугаев А.Г., Лось Д.А. (2006) Влияние экзогенной глюкозы на поток электронов к фотосистеме I и дыхание у клеток цианобактерий. Физиология растений, 53, 336-342.

Шугаев А.Г., Шугаева Н.А., Выскребенцева Э.И. (2006) Цианид- и ротенон-резистентное дыхание митохондрий корнеплода сахарной свеклы в ходе онтогенеза. Физиология растений, 53, 503-510.

Шугаев А.Г., Шугаева Н.А., Выскребенцева Э.И. (2005) Влияние KCl–среды на окисление малата митохондриями корнеплода сахарной свеклы. Физиология растений, 52, 694-700.

Шугаев А.Г., Андреев И.М., Выскребенцева Э.И. (2005) Функциональная идентификация АТФ-чувствительного К+-унипортера в митохондриях корнеплода сахарной свеклы. Физиология растений, 52, 209-215.

Комарова Э.Н., Выскребенцева Э.И., Трунова Т.И. (2003) Активность лектиноподобных белков клеточных стенок и внешних мембран органелл и их связь с эндогенными лигандами в проростках озимой пшеницы. Физиология растений, 50, 511-516.

Vartapetian B.B., Andreeva I.N., Generozova I.P., Polyakova L.I., Maslova I.P., Dolgikh Yu.I., Stepanova A.Yu. (2003) Functional electron microscopy in studies of plant response and adaptation to anaerobic stress. Ann. Bot., 91, 155-172.

Болычевцева Ю.В., Мажoрова Л.Е., Терехова И.В., Егорова Е.А., Шугаев А.Г., Рахимбердиева М.Г., Карапетян Н.В. (2003) Новый тип адаптации цианобактерий Spirulina platensis к условиям освещения. Прикладная биохимия и микробиология, 39, 571-576.