Лаборатория физиологии корня

РУКОВОДИТЕЛЬ:

СЕРЕГИН
Илья Владимирович

заведующий лабораторией,
главный научный сотрудник,
доктор биологических наук

Телефон: +7 (499) 678-53-24
E-mail: seregin@ifr.moscow
Профиль на E-library
Профиль на Researchgate

СОТРУДНИКИ:

ИССЛЕДОВАНИЯ:

Основные направления работы:

• изучение токсического действия металлов на растения;
• разработка гистохимических методов определения металлов в растениях;
• изучение особенностей распределения и накопления металлов у растений исключателей и гипераккумуляторов;
• выяснение механизмов избирательного накопления металлов в подземных органах исключателей и надземных органах гипераккумуляторов;
• изучение клеточных механизмов роста корня;
• выяснение закономерностей изменения роста корней при разных воздействиях;
• изучение стволовых клеток корней.

Объекты исследований:

В качестве объектов исследования используются виды и популяции растений, контрастно различающиеся по устойчивости и способности накапливать металлы. Среди гипераккумуляторов, накапливающих металлы в побегах, наиболее подробно изучаются гипераккумулятор никеля, цинка и кадмия Noccaea caerulescens, гипераккумуляторы цинка Arabidopsis halleri и Noccaea praecox, а также гипераккумуляторы никеля Noccaea goesingensis и Odontarrhena obovata. В качестве близкородственных исключателей, накапливающих металлы преимущественно в корнях, изучаются Arabidopsis lyrata, Arabidopsis thaliana, Thlaspi arvense, Aurinia saxatilis и др., а также уникальный вид Microthlaspi perfoliatum, растения которого способны накапливать значительное количество никеля в побегах. Кроме того, в лаборатории проводятся исследования на важнейших сельскохозяйственных видах (Zea mays, Pisum sativum и других).

Методы исследований:

• определение устойчивости растений к металлам по приросту корня и побега, изменению накопления сырой и сухой массы, общего и относительного содержания воды, интенсивности транспирации, устьичной проводимости;
• спектрофотометрические методы определения содержания фотосинтетических пигментов и других соединений (фенольных соединений, малонового диальдегида и др.) в качестве стресс-маркеров;
• определение содержания химических элементов в различных органах растений с помощью атомно-абсорбционной спектрофотометрии;
• анализ распределения металлов в разных тканях и разных клетках одной ткани с помощью гистохимических методов, световой и флуоресцентной микроскопии;
• методы изучения физиологической роли низкомолекулярных лигандов в поглощении, транспорте и распределении металлов в растениях;
• методы оценки общего количества поглощенного металла, эффективности его загрузки в сосуды ксилемы и транслокации в побеги;
• методы локализации разгрузки флоэмы с помощью флуоресцентных красителей;
• цитологические методы анализа влияния металлов на ростовые процессы: деление и растяжение клеток;
• методы оценки фиторемедиационного потенциала растений исключателей и гипераккумуляторов.

Ключевые достижения:

1. Разработаны или модифицированы гистохимические методы определения кадмия, свинца, никеля, цинка и стронция в тканях растений.
2. Впервые выяснены основные закономерности распределения кадмия, свинца, никеля, цинка и стронция в разных тканях растений гипераккумуляторов и исключателей. Показана различная роль тканей корня и побега в транспорте и детоксикации металлов.
3. Выявлены видовые и внутривидовые различия по устойчивости и способности накапливать металлы у растений гипераккумуляторов и исключателей.
4. Выяснена роль свободного гистидина, важнейшего внутриклеточного металл-связывающего лиганда, в транспорте и детоксикации никеля и цинка у растений разных видов. Полученные результаты важны для понимания физиологических механизмов, определяющих избирательное накопление металлов в побегах гипераккумуляторов и корнях исключателей, что является фундаментальной основой для разработки технологий очистки окружающей среды от металлов с помощью растений (фиторемедиации).
5. Впервые на клеточном уровне выяснены механизмы изменения роста корней при разных воздействиях, в том числе при действии различных металлов.

ПУБЛИКАЦИИ:

Наиболее значимые публикации за последние 5 лет:

1. Mackievic V., Li Y., Hryvusevich P., Svistunenko D., Seregin I., Kozhevnikova A., Kartashov A., Shabala S., Samokhina V., Rusakovich A., Cuin T.A., Sokolik A., Li X., Huang X., Yu M., Demidchik V. L-histidine makes Ni²⁺ ‘visible’ for plant signalling systems: Shading the light on Ni²⁺-induced Ca²⁺ and redox signalling in plants. Plant Physiology and Biochemistry. 2024: 109227. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2024.109227
2. Zhukovskaya N.V., Ivanov V.B. Cell cycle time in the root apical meristem of angiosperms and its dependence on holoploid DNA content. Planta. 2024. V. 260: 135. https://link.springer.com/article/10.1007/s00425-024-04563-3
3. Seregin I.V., Kozhevnikova A.D. The role of low-molecular-weight organic acids in metal homeostasis in plants. International Journal of Molecular Sciences. 2024. V. 25: 9542. https://doi.org/10.3390/ijms25179542
4. Zhukovskaya N.V., Kozhevnikova A.D., Lunkova N.F., Lykova T.Y., Kartashov A.V., Ivanov V.B., Schat H., Seregin I.V. The mechanisms of zinc-induced root growth inhibition in the zinc hyperaccumulator Noccaea caerulescens and the non-accumulator Microthlaspi perfoliatum. Plant and Soil. 2024. https://doi.org/10.1007/s11104-024-06882-6
5. Seregin I.V., Kozhevnikova A.D. Nicotianamine: A кey player in metal homeostasis and hyperaccumulation in plants. International Journal of Molecular Sciences. 2023. V. 24: 10822. https://doi.org/10.3390/ijms241310822
6. Seregin I.V., Kozhevnikova A.D. Phytochelatins: sulfur-containing metal(loid)-chelating ligands in plants. International Journal of Molecular Sciences. 2023. V. 24: 2430. https://doi.org/10.3390/ijms24032430
7. Seregin I.V., Ivanova T.V., Voronkov A.S., Kozhevnikova A.D., Schat H. Zinc-and nickel-induced changes in fatty acid profiles in the zinc hyperaccumulator Arabidopsis halleri and non-accumulator Arabidopsis lyrata. Plant Physiology and Biochemistry. 2023. V. 197: 107640. https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2023.107640
8. Seregin I.V., Kozhevnikova A.D., Schat H. Histidine-mediated nickel and zinc translocation in Arabidopsis thaliana and Lepidium ruderale. Russian Journal of Plant Physiology. 2022. V. 69: 13. https://doi.org/10.1134/S1021443722010186
9. Kozhevnikova А.D., Seregin I.V., Schat Н. Translocation of Ni and Zn in Odontarrhena corsica and Noccaea caerulescens: the effects of exogenous histidine and Ni/Zn interactions. Plant and Soil. 2021. V. 468. P. 295–318. https://doi.org/10.1007/s11104-021-05080-y
10. Seregin I.V., Kozhevnikova A.D. Low-molecular-weight ligands in plants: role in metal homeostasis and hyperaccumulation. Photosynthesis Research. 2021. V. 150. P. 51–96. https://doi.org/10.1007/s11120-020-00768-1
11. Dubrovsky J.G., Ivanov, V.B. The quiescent centre of the root apical meristem: conceptual developments from Clowes to modern times. Journal of Experimental Botany. 2021. V. 72(19). P. 6687–6707. https://doi.org/10.1093/jxb/erab305
12. Beliaev D., Tereshonok D., Lunkova N., Baranova E., Osipova E., Lisovskii S., Raldugina G., Kuznetsov Vl. Expression of Cytochrome c3 from Desulfovibrio vulgaris in plant leaves enhances uranium uptake and tolerance of tobacco. International Journal of Molecular Sciences. 2021. V. 22(23): 12622. https://doi.org/10.3390/ijms222312622
13. Kozhevnikova A.D., Seregin I.V., Zhukovskaya N.V., Kartashov A.V., Schat H. Histidine-mediated nickel and zinc translocation in intact plants of the hyperaccumulator Noccaea caerulescens. Russian Journal of Plant Physiology. 2021. V. 68. Suppl. 1. P. S37—S50. https://doi.org/10.1134/S1021443721070074
14. Kozhevnikova A.D., Seregin I.V., Aarts M.G.M., Schat H. Intra-specific variation in zinc, cadmium and nickel hypertolerance and hyperaccumulation capacities in Noccaea caerulescens. Plant and Soil. 2020. V. 452. P. 479–498. https://doi.org/10.1007/s11104-020-04572-7
15. Zhukovskaya N.V., Bystrova E.I., Lunkova N.F., Ivanov V.B. Root growth at the cellular level in plants of different species: comparative analysis. Russian Journal of Plant Physiology. 2020. V. 67. P. 618–625. https://doi.org/10.1134/S1021443720040214

Наиболее значимые публикации за все время:

1. Halimaa Р., Blande D., Baltzi E., Aarts M. G. M., Granlund L., Keinänen M., Kärenlampi S. O., Kozhevnikova A. D., Peräniemi S., Schat H., Seregin I. V., Tuomainen M., Tervahauta A. I. Transcriptional effects of cadmium on iron homeostasis differ in calamine accessions of Noccaea caerulescens. Plant Journal. 2019. V. 97(2). P. 306–320. https://doi.org/10.1111/tpj.14121
2. Zhukovskaya N.V., Bystrova E.I., Dubrovsky J.G., Ivanov V.B. Global analysis of an exponential model of cell proliferation for estimation of cell cycle duration in the root apical meristem of angiosperms. Annals of Botany. 2018. V. 122(5). P. 811–822. https://doi.org/10.1093/aob/mcx216
3. Kozhevnikova A.D., Seregin I.V., Gosti F., Schat H. Zinc accumulation and distribution over tissues in Noccaea caerulescens in nature and in hydroponics: a comparison. Plant and Soil. 2017. V. 411. P. 5–16. https://doi.org/10.1007/s11104-016-3116-6
4. Raldugina G.N., Krasavina M.S., Lunkova N.F., Burmistrova N.A. Resistance of plants to Cu stress: transgenesis. In: Plant metal interaction. Emerging remediation technologies. P. Ahmad, ed, Elsevier. Amsterdam — Boston. 2016. Chapter 4, P. 69–114. ISBN: 978-0-12-803158-2. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-803158-2.00004-7
5. Kozhevnikova A.D., Seregin I.V., Erlikh N.T., Shevyreva T.A., Andreev I.M., Verweij R., Schat H. Histidine-mediated xylem loading of zinc is a species-wide character in Noccaea caerulescens. New Phytologist. 2014. V. 203. P. 508–519. https://doi.org/10.1111/nph.12816
6. Ivanov V.B., Dubrovsky I.G. Longitudinal zonation pattern in plant roots: conflicts and solutions. Trends in Plant Science. 2013. V. 18. P. 237–242. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2012.10.002
7. Richau K.H., Kozhevnikova A.D., Seregin I.V., Vooijs R., Koevoets P.L.M., Smith J.A.C., Ivanov V.B., Schat H. Chelation by histidine inhibits the vacuolar sequestration of nickel in roots of the hyperaccumulator, Thlaspi caerulescens. New Phytologist. 2009. V. 183. P. 106–116. https://doi.org/10.1111/j.1469-8137.2009.02826.x
8. Seregin I.V., Kozhevnikova A.D. Physiological role of nickel and its toxic effects on higher plants. Russian Journal of Plant Physiology. 2006. V. 53. P. 257–277. https://doi.org/10.1134/S1021443706020178
9. Seregin I.V., Ivanov V.B. Physiological aspects of cadmium and lead toxic effects on higher plants. Russian Journal of Plant Physiology. 2001. V. 48. P. 523–544. https://doi.org/10.1023/A:1016719901147
10. Иванов В.Б. Активные красители в биологии. М.: Наука. 1982. 214 с.
11. Иванов В.Б. Клеточные основы роста растений. М.: Наука.1974. 223 с.
12. Ратнер Е.М. Питание растений и применение удобрений. М.: Наука. 1965. 223 с.
13. Журбицкий З.И. Физиологические и агрохимические основы применения удобрений. М.: Изд-во Акад. наук СССР. 1963. 294 с.
14. Колосов И.И. Поглотительная деятельность корневых систем растений. М.: изд-во АН СССР. 1962. 385 с.
15. Сабинин Д.А. Физиологические основы питания растений. М.: Изд-во Акад. наук СССР. 1955. 512 с.

НАУЧНЫЕ ПРОЕКТЫ:

УСЛУГИ:

Перечень услуг:

1. оценка влияния различных соединений на рост растений;
2. определение устойчивости растений к металлам;
3. оценка токсического действия металлов;
4. мониторинг загрязнения окружающей среды металлами с помощью корневых тестов;
5. оценка распределения и накопления металлов у растений;
6. определение фиторемедиационного потенциала растений.

Перечень оборудования:

1. флуоресцентные микроскопы (Olympus CX41, Япония; ADF U300, Китай), оснащенные цветными камерами для получения изображений с микроскопа и соответствующее программное обеспечение для анализа изображений (ADF ImageCapture, MSHOT Digital Imaging Analysis System);
2. стереомикроскоп (S645, ADF, Китай), оснащенный цветной камерой;
3. рН-метры (SevenEasy S20, Mettler Toledo, Швейцария; OHAUS Starter ST20, США);
4. электронные весы (AB 54, Mettler Toledo, Швейцария);
5. ламинарный бокс БАВнп-01-«Ламинар-С» (Россия);
6. сухожаровой шкаф ED53 (Binder, Германия);
7. полумикровесы (DEMCOM DA-65C, Bel Engineering, Италия);
8. центрифуга с охлаждением (RWD М1324R, Китай);
9. высокоскоростная мини-центрифуга Microspin 12 (BioSan, Латвия);
10. спектрофотометр Genesys 180 Double Beam UV-Vis (Thermo Fisher Scientific, США);
11. цифровой термостат типа dry block (25-120C) (BioSan, Латвия);
12. термостат ТС-80;
13. центрифуга К-23Д;
14. микротом санный НМ 430 (ThermoFS, США);
15. вибрационный микротом (5100mz-Plus, Campden Instruments, Великобритания);
16. вакуумный насос (XF54 230 50 Millipore);
17. аквадистиллятор электрический (Liston A 1210, Россия);
18. магнитные мешалки с подогревом MSH-300 (BioSan, Латвия) и C-Mag HS 10 Ikamag (IKA, Германия) и без подогрева МS6-РRO (DLab, Китай);
19. шейкер возвратно-поступательный SK-L330-Pro (DLab, Китай);
20. холодильники от +5 до −20°С для хранения образцов и реактивов;
21. дозаторы, диспенсеры и вортексы.

ФОТОГАЛЕРЕЯ:

ИСТОРИЯ:

В 1933 г. по инициативе А.А. Рихтера с целью изучения корневого питания растений была организована группа, которая в 1935 г. сформировалась в самостоятельную Лабораторию минерального питания растений. В 1949 г. она была переименована в Лабораторию корневого питания. В разное время лабораторию возглавляли такие выдающиеся ученые как Д.А. Сабинин, Е.М. Ратнер, З.И. Журбицкий, И.И. Колосов, Д.Б. Вахмистров, B.Б. Иванов. В лаборатории были проведены многочисленные исследования по изучению механизмов поглощения ионов корневой системой, связи поглощения и транспирации, роли отдельных тканей в поглощении и транспорте ионов, метаболизма фосфора в растениях, электрофизиологии корня. Большое внимание уделялось разработке методов гидропоники, методов оптимизации удобрений и другим важным практическим проблемам. Под руководством В.Б. Иванова активно проводились исследования, посвященные изучению клеточных механизмов роста корней, действию на корни цитостатиков, ингибиторов и металлов.

В 2000 г. в состав лаборатории вошла группа М.С. Красавиной, которая занималась изучением флоэмного транспорта и электрофизиологией. Разработаны методы определения активности инвертазы и сахарозосинтазы, методы локализации разгрузки флоэмы с помощью флуоресцентных красителей.

С 2015 г. лабораторию возглавляет доктор биологических наук И.В. Серегин, исследования которого связаны с изучением токсического действия металлов на растения, а также особенностей их транспорта и распределения, для чего были разработаны или модифицированы гистохимические методы определения кадмия, свинца, никеля, цинка и стронция. Особое внимание уделяется изучению физиологических механизмов, определяющих избирательное накопление металлов у растений двух контрастных групп: исключателей, накапливающих металлы главным образом в корнях, и гипераккумуляторов, накапливающих металлы преимущественно в побегах. В настоящее время поддерживаются активные научные контакты с коллегами из Нидерландов, Франции и Республики Беларусь.