Лаборатория глобальной экологии фотосинтеза

РУКОВОДИТЕЛЬ:

ВОРОНИН
Павел Юрьевич

заведующий лабораторией,
главный научный сотрудник,
доктор биологических наук

Телефон: +7 (499) 678-53-35
E-mail: rus.plant@mail.ru
Профиль на E-library
Профиль на Researchgate

СОТРУДНИКИ:

ИССЛЕДОВАНИЯ:

Основные направления работы:

• комплексные исследования (на физиологическом, биохимическом и молекулярно-генетическом уровне) адаптационного потенциала и механизмов устойчивости растений с разным типом фотосинтетического метаболизма в условиях глобальных климатических изменений;
• исследование адаптивных возможностей фотосинтетического аппарата эдификаторных видов древесных и травянистых растений таежной, лесостепной и степной ботанико-географических зон России к усилению аридизации климата;
• изучение сезонной динамики СО₂-газообмена лесного покрова, стока и эмиссии СО₂ и СН₄ в фитоценозах основных климатических зон Северной Евразии.

Объекты исследований:

Объекты исследований: ксеро- и галофиты, представители семейств амарантовые (Amaranthaceae), маревые (Chenopodiaceae) и толстянковые (Crassulaceae), используются в качестве объектов исследования фотосинтетических путей, таких как C₃ (Chenopodium quinoa, Atriplex verrucifera, Salicornia spp.), C₄ (Amaranthus retroflexus, Atriplex tatarica, Haloxylon aphyllum, Salsola spp.), C₄-like (Kochia (Bassia) prostrata), C₃—C₄ (C₂) (Sedobassia sedoides) и CAM (Sedum dendroideum, Delosperma spp.).

Методы исследований:

• изучение СО₂-газообмена растений на установке открытого типа с инфракрасным газоанализатором;
• PAM флуориметрия;
• вестерн-блот-анализ;
• методы оценки содержания активных форм кислорода, низкомолекулярных антиоксидантов, активностей основных антиоксидантных ферментов (спектрофотометрия);
• анализ экспрессии генов (RT-PCR);
• спектрофотометрические методы определения содержания пигментов.

Ключевые достижения:

1. Разработан новый оригинальный метод количественного определения in situ водного потенциала апопласта клеток мезофилла подустьичной полости фотосинтезирующего листа для нового экспериментальный подхода исследования механизма устьичной регуляции транспирации и адаптации фотосинтеза к водному стрессу (Воронин и др., 2017).
2. Исследована роль фотодыхания (Rakhmankulova, 2018) и циклического транспорта электронов ФСI в эволюции С₄ фотосинтеза на примере промежуточного С₃-С₄ вида Sedobassia sedoides (Rakhmankulova et al., 2018).
3. Выявлена высокая внутривидовая фотосинтетическая пластичность растений у C₂ вида Sedobassia sedoides в условиях осмотического стресса (Shuyskaya et al., 2015). Показано, что разные экотипы S. sedoides характеризуются различными адаптивными стратегиями солеустойчивости (Rakhmankulova et al., 2016) и разной реакцией на засоление на уровне ультра- и мезоструктуры, которые отражают разные этапы формирования фотодыхательного углерод-концентрирующего механизма (Rakhmankulova et al., 2020а). Высокая степень фотосинтетической пластичности S. sedoides под влиянием засоления и повышенной концентрации СО₂ связана с усилением или ослаблением у них C₄ характеристик (Rakhmankulova et al., 2024).
4. Проведена сравнительная оценка вклада компонентов СО₂/Н₂О обмена в процесс адаптации к засухе у ксерогалофитов сем. Chenopodiaceae с разным типом фотосинтеза при естественной (400 ppm) и низкой (200 ppm) концентрации СО₂, позволяющей исследовать устьичный и метаболический вклад в формирование механизмов засухоустойчивости и оценить чувствительность устьиц (Rakhmankulova et al., 2020b).
5. Выявлены внутривидовые различия в способах поддержания водного баланса в условиях слабого осмотического стресса в листьях двух популяций С₄ растений Atriplex tatarica, отличающихся по биопродуктивности. Показано, что менее продуктивная, но более устойчивая популяция имела менее чувствительные устьица и сложные механизмы стабилизации водного баланса в клетках растений. У более продуктивной, но неустойчивой популяций адаптация осуществлялась, в первую очередь, за счет закрытия устьиц (Rakhmankulova et al., 2021).
6. Установлено, что адаптация растений к комбинированным стрессам требует более сложных уникальных ответов, в частности засоление смягчает негативное влияние повышенных температур на фотосинтетический метаболизм промежуточного вида C3-C4 Sedobassia sedoides (Shuyskaya et al., 2024).
7. Показано, что повышенная концентрация СО₂ улучшает физиологические параметры галофита Kochia prostrata в условиях засоления (Rakhmankulova et al 2021а), а также, что K. prostrata проявляет признаки C₄-подобного фотосинтеза и, возможно, активного цикла C₃ в клетках мезофилла в условиях повышенной концентрации СО₂ (Rakhmankulova et al., 2021b; Shuyskaya et al., 2024).

ПУБЛИКАЦИИ:

Наиболее значимые публикации за последние 5 лет:

1. Rakhmankulova Z., Shuyskaya E., Prokofieva M., Toderich K., Saidova L., Lunkova N., Voronin P. Drought has a greater negative effect on the growth of the C₃ Chenopodium quinoa crop halophyte than elevated CO₂ and/or high temperature. Plants. 2024. V. 13: 1666. https://doi.org/10.3390/plants13121666
2. Shuyskaya E., Rakhmankulova Z., Prokofieva M., Lunkova N., Voronin P. Salinity mitigates the negative effect of elevated temperatures on photosynthesis in the C3-C4 intermediate species Sedobassia sedoides. Plants. 2024. V. 13: 800. https://doi.org/10.3390/plants13060800
3. Rakhmankulova Z., Shuyskaya E., Prokofieva M., Toderich K., Voronin P. Plasticity of photorespiratory carbon concentration mechanism in Sedobassia sedoides (Pall.) Freitag & G. Kadereit under elevated CO₂ concentration and Salinity. Journal of Arid Land. 2024. V. 16: 963. https://doi.org/10.1007/s40333-024-0018-y
4. Shuyskaya E.V., Khalilova L.A., Prokofieva M.Yu., Rakhmankulova Z.F. Changes in rubisco localization and the activities of C₄ enzymes in Kochia prostrata under elevated CO₂ and temperatures. Russian Journal of Plant Physiology. 2024. V. 71: 188. https://doi.org/10.1134/S1021443724606724
5. Shuyskaya E., Toderich K., Kolesnikov A., Prokofieva M., Lebedeva M. Effects of vertically heterogeneous soil salinity on genetic polymorphism and productivity of the widespread halophyte Bassia prostrata. Life. 2023. V. 13: 56. https://doi.org/10.3390/life13010056
6. Shuyskaya E., Rakhmankulova Z., Prokofieva M., Kazantseva V., Lunkova N. Impact of salinity, elevated temperature, and their interaction with the photosynthetic efficiency of halophyte crop Chenopodium quinoa Willd. Agriculture. 2023. V. 13: 1198. https://doi.org/10.3390/agriculture13061198
7. Rakhmankulova Z.F., Shuyskaya E.V., Prokofieva M.Yu. Intraspecific photosynthetic diversity and differences in stress-induced plasticity in С₃—С₄ Sedobassia sedoides under drought stress. Russian Journal of Plant Physiology. 2023. V. 70: 81. https://doi.org/10.1134/S1021443722603135
8. Voronin P.Yu., Maevskaya, S.N., Malinovsky A.V., Rakhmankulova Z.F., Shuyskaya E.V., Prokofieva M.Yu., Saidova L.T. Organic osmolytes regulate substomatal apoplast water potential in pea (Pisum sativum L.) leaves during mild drought. Russian Journal of Plant Physiology. 2023. V. 70: 123. https://doi.org/10.1134/S1021443723601167
9. Shuyskaya E., Rakhmankulova Z., Prokofieva M., Saidova L., Toderich K., Voronin P. Intensity and duration of salinity required to form adaptive response in C₄ halophyte Kochia prostrata (L.) Shrad. Frontiers in Plant Science. 2022. V. 13: 955880. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.955880
10. Rakhmankulova Z.F. Plant respiration and global climatic changes. Russian Journal of Plant Physiology. 2022. V. 69: 109. https://doi.org/10.1134/S1021443722060218
11. Rakhmankulova Z., Shuyskaya E., Toderich K., Voronin P. Elevated atmospheric CO₂ concentration improved C₄ xero-halophyte Kochia prostrata physiological performance under saline conditions. Plants. 2021a. V. 10: 491. https://doi.org/10.3390/plants10030491
12. Rakhmankulova Z.F., Shuyskaya E.V., Voronin P.Yu. Different ways of maintaining water balance in leaves in two populations of C₄ Atriplex tatarica differing in productivity and drought tolerance. Russian Journal of Plant Physiology. 2021. V. 68: 1143. https://doi.org/10.1134/S1021443721060170
13. Rakhmankulova Z.F., Shuyskaya E.V., Prokofieva M.Yu. Possible activation of С₃ photosynthesis in С₄ halophyte Kochia prostrata exposed to an elevated concentration of СО₂. Russian Journal of Plant Physiology. 2021b. V. 68: 1107. https://doi.org/10.31857/S0015330321060166
14. Rakhmankulova Z.F., Shuyskaya E.V., Khalilova L.A., Burundukova O.L., Velivetskaya T.A., Ignat’ev A.V., Orlova Yu.V. Ultra- and mesostructural response to salinization in two populations of С₃—С₄ intermediate species Sedobassia sedoides. Russian Journal of Plant Physiology. 2020a. V. 67: 835. https://doi.org/10.1134/S1021443720040135
15. Rakhmankulova Z.F., Shuyskaya E.V., Prokofieva M.Yu., Borovkov A.M., Voronin P.Yu. Comparative contribution of СО₂/Н₂О exchange components to the process of adaptation to drought in xero-halophytes from the family Chenopodiaceae with different types of photosynthesis. Russian Journal of Plant Physiology. 2020b. V. 67: 494. https://doi.org/10.1134/S102144372003019X

Наиболее значимые публикации за все время:

1. Rakhmankulova Z., Shuyskaya E., Prokofieva M., Toderich K., Voronin P. Plasticity of photorespiratory carbon concentration mechanism in Sedobassia sedoides (Pall.) Freitag & G. Kadereit under elevated CO₂ concentration and salinity. Journal of Arid Land. 2024. V. 16: 963. https://doi.org/10.1007/s40333-024-0018-y
2. Rakhmankulova Z.F., Shuyskaya E.V., Prokofieva M.Yu., Kazantseva V.V., Saidova L.T., Zagoskina N.V., and Voronin P.Yu. Effect of elevated CO₂ concentrations on drought and heat tolerance of the C₄-NADP species Kochia prostrata. Russian Journal of Plant Physiology. 2024. V. 71: 85. https://doi.org/10.1134/S1021443724605275
3. Rakhmankulova Z.F., Shuyskaya E.V., Prokofieva M.Yu., Toderich K.N., Yamanaka N., Voronin P.Yu. The effect of elevated temperature on salt tolerance mechanism in C₄ xero-halophyte Kochia prostrata. Russian Journal of Plant Physiology. 2022. V. 69: 137. https://doi.org/10.1134/S1021443722060322
4. Rakhmankulova Z., Shuyskaya E., Toderich K., Voronin P. Elevated atmospheric CO₂ concentration improved C₄ xero-halophyte Kochia prostrata physiological performance under saline conditions. Plants. 2021. V. 10: 491. https://doi.org/10.3390/plants10030491
5. Rakhmankulova Z.F. Photorespiration: Its role in the productive process and evolution of С₄ plants. Russian Journal of Plant Physiology. 2018. V. 65: 303. https://doi.org/10.1134/S1021443718030068
6. Rakhmankulova Z., Shuyskaya E., Voronin P., Velivetskaya T.A., Ignatiev A.V., Usmanov I.Y. Role of photorespiration and cyclic electron transport in C₄ photosynthesis evolution in the C₃—C₄ intermediate species Sedobassia sedoides. Russian Journal of Plant Physiology. 2018. V. 65: 455. https://doi.org/10.1134/S102144371802005X
7. Voronin P.Yu., Maevskaya S.N., Nikolaeva M.K. Physiological and molecular responses of maize (Zea mays L.) plants to drought and rehydration. Photosynthetica. 2019. V. 57: 850. https://doi.org/10.32615/ps.2019.101
8. Воронин П.Ю., Рахманкулова З.Ф., Шуйская Е.В., Маевская С.Н., Николаева М.К., Максимов А.П., Максимов Т.Х., Мясоедов Н.А., Балнокин Ю.В., Рымарь В.П., Валдайских В.В., Кузнецов Вл.В. Новый метод количественного определения водного потенциала апопласта клеток мезофилла в подустьичной полости листа. Физиология растений. 2017. T. 64: 235.
9. Rakhmankulova Z.F., Shuyskaya E.V., Suyundukov Y.T. et al. Different responses of two ecotypes of C₃—C₄ xero-halophyte Bassia sedoides to osmotic and ionic factors of salt stress. Russian Journal of Plant Physiology. 2016. V. 63: 349. https://doi.org/10.1134/S1021443716030122
10. Воронин П.Ю., Мухин В.А., Коновалов П.В., Седельников В.П., Кузнецов Вл.В. Ограничение стока углерода в лесные экосистемы Западной Сибири. Доклады Академии наук. 2015. T. 460: 486.
11. Shuyskaya E.V., Rakhmankulova Z., Voronin P., Kuznetsova N., Biktimerova G., Usmanov I. Salt and osmotic stress tolerances of the C₃-C₄ xero-halophyte Bassia sedoides from two populations differ in productivity and genetic polymorphism. Acta Physiologiae Plantarum. 2015. V. 37: 236. https://doi.org/10.1007/s11738-015-1981-x
12. Rakhmankulova, Z., Voronin, P., Shuyskaya, E., Kuznetsova, N., Zhukovskaya, N.V., Toderich, K.N. Effect of NaCl and isoosmotic polyethylene glycol stress on gas exchange in shoots of the C₄ xerohalophyte Haloxylon aphyllum (Chenopodiaceae). Photosynthetica. 2014. V. 52: 437. https://doi.org/10.1007/s11099-014-0048-3
13. Rakhmankulova, Z. Respiratory supercomplexes of plant mitochondria: Structure and possible functions. Russian Journal of Plant Physiology. 2014. V. 61: 721. https://doi.org/10.1134/S1021443714060168
14. Воронин П.Ю., Федосеева Г.П. Устьичный контроль фотосинтеза у отделенных листьев древесных и травянистых растений. Физиология растений. 2012. Т. 59: 309.
15. Воронин П.Ю. Климатические факторы формирования первичной продуктивности фотосинтеза растительного покрова Северной Евразии. В сб: Изменение окружающей среды и климата: природные и связанные с ними техногенные катастрофы, т. 8, Н.П. Лаверов (ред.), РАН — М.: ИФЗ РАН, 2008, 268 с.

НАУЧНЫЕ ПРОЕКТЫ:

УСЛУГИ:

Перечень услуг:

1. временно отсутствует.

Перечень оборудования:

1. вегетационные камеры для выращивания растений в строго контролируемых условиях с возможностью создания разных концентраций СО₂, засухи и повышенной температуры. Патент № 198794 (2020);
2. люксометр Li-250A, для измерения интенсивности освещения в вегетационных камерах;
3. импульсный флуориметр PAM—101, («Walz», Германия) для определения параметров флуоресценции хлорофилла ФС I и II при диагностике состояния фотосинтетического аппарата растений;
4. инфракрасный газоанализатор (ИКГА) в составе CIRAS-3 (PP Systems, США);
5. системы для вертикального и горизонтального электрофореза Mini-PROTEAN Tetra («BioRad», США), необходимые для проведения анализа нативного электрофореза белков, ПААГ-электрофореза с дальнейшим иммуноблоттингом (методом Вестерн-блота) и агарозного электрофореза ПЦР продуктов;
6. термостат «Термит» (Россия);
7. ДНК-амплификатор, 16 × 0.2 мл, «Termix» (Россия);
8. трансиллюминатор, 254 нм, 210 × 260 мм, компактный, лампы 6 × 8 Вт, ECX-F26.C V1, Vilber;
9. система гель-документирования Vilber Lourmat (Франция).

ФОТОГАЛЕРЕЯ:

ИСТОРИЯ:

В подразделении, организованном в 2008 г., продолжаются исследования по экологии фотосинтеза, проводимые в 1986 — 1997 гг. в Лаборатории онтогенеза и экологии фотосинтеза под руководством академика А.Т. Мокроносова. Основным направлением работы лаборатории являются физиологические исследования адаптации фотосинтеза растительного покрова к экстремальным природным явлениям и техногенным катастрофам с тем, чтобы:

а) восполнить дефицит данных по балансовым характеристикам углеродного цикла лесных экосистем бореально-гумидной зоны Северной Евразии при аридизации климата;

б) оценить состояние растительности и прогнозировать ее изменения на основе системы индикаторных признаков и выяснения экофизиологии определяющих биоценозы эдификаторных видов растений, по которым можно объективно оценивать состояние растительности и способности адаптации ее продукционного процесса к изменению климата.