Лаборатория транспорта ионов и солеустойчивости

РУКОВОДИТЕЛЬ:

БАЛНОКИН
Юрий Владимирович

заведующий лабораторией,
ведущий научный сотрудник,
доктор биологических наук

Телефон: +7 (499) 678-53-93
E-mail: balnokin@mail.ru
Профиль на E-library
Профиль на Researchgate

СОТРУДНИКИ:

ИССЛЕДОВАНИЯ:

Основные направления работы:

• исследование механизмов ионного гомеостатирования растений в норме и стрессовых условиях засоления и дефицита азота, включая исследование механизмов транспорта нитрата — важнейшего биогенного элемента (молекулярная и функциональная идентификация нитратных транспортеров, ответственных за азотное питание растений в условиях дефицита нитрата и его конкуренции с хлоридом за сайты связывания транспортеров), исследование механизмов транспорта хлорида (молекулярная и функциональная идентификация хлоридных транспортеров);
• исследование механизмов ионного транспорта и идентификация ионных транспортеров устьичных клеток солеустойчивых растений;
• молекулярная идентификация Na⁺-транспортирующих АТФаз — белков, осуществляющих поддержание Na⁺-гомеостаза у галотолерантных микроводорослей;
• исследование функций и физиологической роли флотиллинов — белков мембранных микродоменов, их участия в ответе растений на биотические и абиотические стрессы;
• исследование модификаций ризосферы под действием внутренних индукторов трансгенных растений в условиях абиотических стрессов.

Объекты исследований:

В качестве объектов исследования выступают: нитратные и хлоридные транспортеры галофитов Suaeda altissima и Eutrema halophilum семейств NRT1/NPF/PTR (Nitrate Transporter 1/Peptide Transporter Family), NRT2 (Nitrate Transporter 2), NAR2 (Nitrate Assimilation Related), CLC (ChLoride Channel) и SLAC/SLAH (SLow Anion Channel/ SLow Anion channel Homolog); Na⁺-транспортирующие ATФазы галотолерантных микроводорослей Dunaliella maritima и Tetraselmis viridis; устьичный аппарат галофита Suaeda altissima и двух видов ячменя, различающихся по солеустойчивости — Hordeum vulgare (ячмень посевной), Hordeum murinum (ячмень мышиный); белки мембранных микродоменов семейства флотиллинов Arabidopsis thaliana и галофита Suaeda altissima; ризоплана трансгенных линий Nicotiana tabacum, содержащих гены ферментов холиноксидазы (codA) из Arthrobacter globyformis или супероксиддисмутазы (FeSOD) из Arabidopsis thaliana.

Методы исследований:

• исследование функций нитратных и хлоридных транспортеров галофитов и Na⁺-АТФаз галотолерантных водорослей проводится на интактных растениях, суспензиях одноклеточных галотолерантных водорослей, выделенных из клеток мембранных везикулах и в гетерологичных дрожжевых системах экспрессии путем измерения трансмембранных ионных потоков. В качестве гетерологичных систем используются дрожжи Saccharomyces cerevisiae и Ogataea (Hansenula) polymorpha, мутантные по генам собственных ион-транспортирующих белков и трансформированные целевыми генами, клонированными из галофитов и водорослей;
• исследование путей транспорта Na⁺ и Cl^— в системе целого растения с применением специфичных флуоресцентных меток и рентгеновского микроанализа;
• исследование ионного обмена клеток эпидермы листа и замыкающих клеток устьиц проводится с использованием рентгеновского микроанализатора с узким зондирующим лучом, позволяющим определять относительное содержание химических элементов в отдельных клетках;
• электронная, сканирующая и флуоресцентная микроскопии. Различные флуоресцентные зонды применяются как для определения внутриклеточной локализации белков, так и для измерения трансмембранных ионных потоков;
• трансгеноз с помощью Agrobacterium tumefaciens (метод погружения цветка, агроинфильтрация);
• мультилокусное типирование последовательностей (MLST) и секвенирование следующего поколения (NGS);
• методы молекулярной биологии для обнаружения и клонирования генов ионных транспортеров галофитов;
• исследование экспрессии генов методом ПЦР.

Ключевые достижения:

1. Открыты Na⁺-транспортирующие АТФазы у микроводорослей Tetraselmis (Platymonas) viridis и Dunaliella maritima. Впервые у галотолерантных организмов, относящихся к царству растений, функционально идентифицированы и охарактеризованы помпы, осуществляющие первично-активный перенос ионов Na⁺ через плазматическую мембрану, — Na⁺-транспортирующие АТФазы. Эти белки являются новыми членами семейства Na⁺-АТФаз, описанных у ряда представителей домена Eucarya (животных, грибов и мхов). У зеленых микроводорослей, в отличие от высших растений, именно Na⁺-АТФазы, а не Na⁺/H⁺-антипортеры, ответственны за Na⁺-гомеостатирование цитоплазмы. Исследованы свойства Na⁺-транспортирующих АТФаз галотолерантных микроводорослей. Показано, что эти белки относятся к семейству АТФаз Р-типа, образующих в каталитическом цикле фосфорилированный интермедиат; функционируют в плазматической мембране в виде тетрамерного комплекса и обеспечивают электрогенез на мембране; участвуют в поддержании не только Na⁺-гомеостаза, но и в рН-статировании клетки.
2. Из галофитов Suaeda altissima и Eutrema halophilum клонирован ряд генов анионных транспортеров, относящихся к семействам белков CLC, NRT1, NRT2, NAR2, которые вовлечены в низко- и высоко-аффинный транспорт нитрата и хлорида и функционируют в плазматической мембране и тонопласте клетки. Белки, кодируемые клонированными генами, функционально охарактеризованы, с помощью дрожжевых экспрессионных систем продемонстрирована их нитрат-транспортирующая активность, показана регуляция экспрессии клонированных генов содержащимися в корнеобитаемой среде нитратом, хлоридом и восстановленными формами азотных соединений.
3. Показано вовлечение ионов Na⁺ и Cl^— в качестве главных осмотиков в регуляцию устьичной проводимости у галофита Suaeda altissima, обнаружена способность растений этого вида ограничивать накопление этих ионов в замыкающих и прилегающих к ним эпидермальных клетках листа в условиях сильного почвенного засоления; предполагается, что указанное ограничение в накоплении Na⁺ и Cl^— является важным элементом механизма, регулирующего газообмен листьев растений, заселяющих почвы с высоким содержанием NaCl.
4. Показано вовлечение эндоцитозных везикул в транспорт ионов Na⁺ из наружной среды в вакуоли в условиях солевого шока у Arabidopsis thaliana. Продемонстрирована интернализация эндоцитозных Na⁺-содержащих везикул клетками и последующее слияние этих везикул с вакуолями, что позволяет избежать контакта поглощенных ионов Na⁺ с цитозолем; физиологическое значение этого процесса состоит в предотвращении как токсического действия ионов Na⁺, так и дегидратации клеток — ионы Na⁺, накапливаясь в вакуолях, снижают водный потенциал клеток до более низкого уровня, чем в среде. Продемонстрировано участие внутриклеточного везикулярного транспорта Cl^— в компартментации этого иона в вакуолях клеток надземных органов соленакапливающего галофита Suaeda altissima.
5. Показано, что белок мембранных нанодоменов флотиллин1 (Flot1) у Arabdopsis thaliana вовлечен в везикулярный транспорт H⁺-АТФазы Р-типа и регуляцию содержания этого фермента в плазмалемме в условиях солевого стресса. Установлено, что NaCl, присутствующий в корнеобитаемой среде, стимулирует доставку H⁺-АТФазы Р-типа к плазмалемме, активируя экзоцитозный путь, связанный с образованием поздних эндосом (ПМ)/ мультивезикулярных тел (МВТ).
6. Впервые для растительного организма, на выделенных из корней галофита Suaeda altissima мембранных препаратах, обогащенных мембранами аппарата Гольджи, функционально идентифицирован Cl^—/H⁺-антипортер. Продемонстрированы электрогенные свойства Cl^—/H⁺- антипортера.
7. Создана коллекция трансгенных линий растений табака Nicotiana tabacum, для которых подтверждена экспрессия трансгенов codA из Arthrobacter globyformis и FeSOD из Arabidopsis thaliana с ядерной локализацией. На основании анализа 16S РНК микробиома ризосферы и ризопланы трансгенных линий растений табака обнаружены изменения в видовом составе семейства Actinomycetota.

ПУБЛИКАЦИИ:

Наиболее значимые публикации за последние 5 лет:

1. Khramov D.E., Rostovtseva E.I., Matalin D.A., Konoshenkova A.O., Nedelyaeva O.I., Volkov V.S., Balnokin Y.V. and Popova L.G. Novel Proteins of the High-Affinity Nitrate Transporter Family NRT2, SaNRT2.1 and SaNRT2.5, from the euhalophyte Suaeda altissima: Molecular Cloning and Expression Analysis // Int. J. Mol. Sci. 2024, 25, 5648. https://doi.org/10.3390/ijms25115648
2. Khramov D.E., Nedelyaeva O. I., and Balnokin Y.V.. NPF (NRT1) Family Nitrate Transporter EhNPF6.3, an Ortholog of AtNPF6.3, from the Halophyte Eutrema halophilum (C.A.Mey.) O.E.Schulz: Cloning and Functional Analysis // Russ. J. Plant Physiol., 2024, 71:41. http://doi.org/10.1134/S1021443724604051
3. Nedelyaeva O.I., Popova L.G., Khramov D.E., Volkov V.S., Balnokin Y.V. Chloride Channel Family in the Euhalophyte Suaeda altissima (L.) Pall: Cloning of Novel Members SaCLCa2 and SaCLCc2, General Characterization of the Family. // Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 941. https://doi.org/10.3390/ijms24020941
4. Khalilova L.A., Lobreva O.V., Nedelyaeva O.I., Karpichev I.V., Balnokin Y.V. Involvement of the Membrane Nanodomain Protein, AtFlot1, in Vesicular Transport of Plasma Membrane H+ -ATPase in Arabidopsis thaliana under Salt Stress // Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 1251. https://doi.org/10.3390/ijms24021251
5. Khalilova L.A., Voronkov A.S. The Membrane Nanodomain Flot1 Protein Participates in Formation of the Early Endosomes in the Root Cells of Arabidopsis thaliana // Russ. J. Plant Physiol., 2023, 70, 74. https://doi.org/10.1134/S1021443723600307
6. Popova L.G., Khramov D.E., Nedelyaeva O.I., Volkov V.S. Yeast heterologous expression systems for the study of plant membrane protein // Int. J. Mol. Sci., 2023, 24, 10768. https://doi.org/10.3390/ijms241310768
7. Raldugina G.N.; Bogoutdinova L.R.; Shelepova O.V.; Kondrateva V.V.; Platonova E.V.; Nechaeva T.L.; Kazantseva V.V.; Lapshin P.V.; Rostovtseva H.I.; Aniskina T.S.; Kharchenko P.N., Zagoskina N.V., Gulevich A.A. and Baranova E.N. Heterologous codA Gene Expression Leads to Mitigation of Salt Stress Effects and Modulates Developmental Processes. // Int. J. Mol. Sci. 2023, 24, 13998. https://doi.org/10.3390/ijms241813998
8. Nedelyaeva, O.I.; Khramov, D.E.; Khalilova, L.A.; Konoshenkova, A.O.; Ryabova, A.V.; Popova, L.G.; Volkov, V.S.; Balnokin, Y.V. Molecular Cloning, Expression and Transport Activity of SaNPF6.3/SaNRT1.1, a Novel Protein of the Low-Affinity Nitrate Transporter Family from the Euhalophyte Suaeda altissima (L.) Pall. // Membranes, 2023, 13, 845. https://doi.org/10.3390/membranes13100845
9. Nedelyaeva O.I., Popova L.G., Volkov V.S., Balnokin Yu.V. Molecular cloning and characterization of SaCLCd, SaCLCf, and SaCLCg, novel proteins of the chloride channel family (CLC) from the halophyte Suaeda altissima (L.) Pall. // Plants, 2022, 11(3), 409. https://doi.org/10.3390/plants11030409
10. Sergienko O.V., Khalilova L.A., Orlova Yu.V., Shuvalov A.V., Myasoedov N.A., Karpichev I.V. Mutation of the ARA7/AtRabF2b gene, that increases the content of the Ara7 protein regulating endocytic trafficking pathways, improves salt tolerance of the Arabidopsis thaliana (L.) Heynh plants // Russ. J. Plant Physiol., 2022, 69, Art. 11. https://doi.org/10.1134/S1021443722010198
11. Matalin D.A., Khramov D.E., Shuvalov A.V., Volkov V.S., Balnokin Y.V., Popova L.G. Cloning and characterization of two putative P-type ATPases from the marine microalga Dunaliella maritima similar to plant H±ATPases and their gene expression analysis under conditions of hyperosmotic salt shock // Plants, 2021, 10(12), Art.2667. https://doi.org/10.3390/plants10122667
12. Volkov V., Schwenke H. A quest for mechanisms of plant root exudation brings new results and models, 300 years after Hales // Plants, 2021, 10: 38. https://dx.doi.org/10.3390/plants10010038
13. Khalilova L.A., Sergienko O.V., Orlova Yu.V., Myasoedov N.A., Karpichev I.V., Balnokin Yu.V.. Arabidopsis thaliana mutant with T-DNA insertion in the Flot1 (At5g25250) gene promoter possesses increased resistance to NaCl // Russian J. Plant Physiol., 2020, 67 (2): 275 — 284. https://doi.org/10.1134/S1021443720020077
14. Popova L.G., Matalin D.A., Balnokin Yu.V.. Electrogenesis in plasma membrane fraction of halotolerant microalga Dunaliella maritima and effects of N,N’-dicyclohexylcarbodiimide // Biochemistry (Moscow), 2020, V. 85(8): 930-937. https://doi.org/10.1134/S0006297920080088
15. Nedelyaeva O.I., Shuvalov A.V., Balnokin Yu.V.. Chloride channels and transporters of the CLC family in plants // Russ. J. Plant Physiol., 2020, 67(5): 767 — 784. https://doi.org/10.1134/S1021443720050106

Наиболее значимые публикации за все время:

1. Nedelyaeva O.I., Shuvalov A.V., Karpichev I.V., Beliaev D.V., Myasoedov N.A., Khalilova L.A., Khramov D.E., Popova L.G., Balnokin Yu.V. Molecular cloning and characterization of SaCLCa1, a novel protein of the chloride channel (CLC) family from the halophyte Suaeda altissima (L.) Pall. // J. of Plant Physiol. 2019. 240: 152995. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2019.152995
2. Orlova Y.V., O.V. Sergienko, L.A. Khalilova, A.S. Voronkov, A.A. Fomenkov, A.V. Nosov, L.G. Popova, A.V. Shuvalov, A.V. Ryabova, Y.V. Balnokin. Sodium transport by endocytic vesicles in cultured Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. cells // In Vitro Cellular and Developmental Biology — Plant. 2019. 55: 359 — 370. https://doi.org/10.1007/s11627-019-10005-7
3. Nedelyaeva O.I., Shuvalov A.V., Mayorova O.V., Yurchenko A.A., Popova L.G., Balnokin Y.V, Karpichev I.V. Cloning and functional analysis of SaCLCc1, a gene belonging to the chloride channel family (CLC), from the halophyte Suaeda altissima (L.) Pall. // Doklady Biochemistry and Biophysics, 2018. V. 481: 186 — 189. http://doi.org/10.1134/S1607672918040026
4. Shuvalov A. V., Orlova J. V., Khalilova L. A., Myasoedov N. A., Andreev I. M., Belyaev D. V., Balnokin Y. V. Evidence for the functioning of a Cl-/H+ antiporter in the membranes isolated from root cells of the halophyte Suaeda altissima and enriched with Golgi membranes // Russ. J. Plant Physiol. 2015, 62: 45 — 56. http://doi.org/10.1134/S1021443715010124
5. Khailova G.F., Popova L.G., Khalilova L.A., Myasoedov N.A., Balnokin Y.V. Conversion of quaternary ammonium compounds in the whole plant system of the halophyte Suaeda altissima //Russ. J. Plant Physiol. 2014, 61: 634 — 638. http://doi.org/10.1134/S1021443714050094
6. Matalin D.A., Azarkovich M.I., Popova L.G., Balnokin Y.V. Protein complexes exhibiting ATPase activities in plasma membranes of marine unicellular microalga Tetraselmis viridis //Doklady Biochemistry and Biophysics, 2012, 1: 294 — 296. http://doi.org/10.1134/S1607672912060014
7. Балнокин Ю.В., Куркова Е.Б., Халилова Л.А., Мясоедов Н.А., Юсуфов А.Г. Пиноцитоз в клетках корня соленакапливающего галофита Suaeda altissima и его возможное участие в транспорте ионов Cl^-. // Физиол. раст., 2007, т.54, № 6, с.1-10.
8. Popova L.G., G. A. Shumkova, I.M. Andreev, Y.V. Balnokin. Functional identification of electrogenic Na±translocating ATPase in the plasma membrane of the halotolerant microalga Dunaliella maritima. // FEBS Letters, 2005, V.579, p.5002 — 5006. http://doi.org/10.1016/j.febslet.2005.07.087
9. Балнокин Ю.В., Котов А.А., Мясоедов Н.А., Хайлова Г.Ф., Куркова Е.Б., Луньков Р.В., Котова Л.М. Участие дальнего транспорта Na⁺ в формировании градиента водного потенциала в системе среда-корень-лист у галофита Suaeda altissima // Физиол. Раст., 2005, т.52, № 4, с.549 — 557.
10. Balnokin Y.V., Popova L.G., Pagis L.Y., Andreev I. M.. The Na⁺-translocating ATPase in the plasma membrane of the marine microalga Tetraselmis viridis catalyzes a Na⁺/H⁺ exchange // Planta, 2004, 219: 332 — 337. http://doi.org/10.1007/s00425-004-1224-7
11. Pagis L.Y., Popova L.G., Andreev I.M., Balnokin Y.V. Comparative characterization of the two primary pumps, H⁺-ATPase and Na⁺-ATPase, in the plasma membrane of the marine alga Tetraselmis viridis // Physiologia Plantarum, 2003, 118 (4): 514-522. http://doi.org/10.1034/j.1399-3054.2003.00113.x
12. Popova L.G., Balnokin Y. V., Dietz K.-J., Gimmler H., Characterization of phosphorylated intermediates synthesised during the catalytic cycle of the sodium adenosine triphosphatase in the plasma membrane of the marine unicellular alga Tetraselmis (Platymonas) viridis // Journal of Plant Physiology, 1999, 155, p.302-309. https://doi.org/10.1007/s00425-004-1224-7
13. Balnokin Y. V., Popova L.G., Andreev I.M., Electrogenicity of the Na⁺-ATPase from the marine microalga Tetraselmis (Platymonas) viridis and associated H⁺ countertransport // FEBS Letters, 1999, 462, p.402-406. https://doi.org/10.1016/s0014-5793(99)01567-7
14. Balnokin Y. V., Popova L.G., Gimmler H., Further evidence for an ATP-driven sodium pump in the marine alga Tetraselmis (Platymonas) viridis // Journal of Plant Physiology, 1997, 150, p.264-270. https://doi.org/10.1016/0014-5793(94)80607-1
15. Строгонов Б.П. Физиологические основы солеустойчивости растений. 364 с. Изд-во Академии наук СССР. Москва, 1962 г.

НАУЧНЫЕ ПРОЕКТЫ:

УСЛУГИ:

Перечень услуг:

1. электронная и световая микроскопия;
2. ПЦР анализ;
3. создание векторных конструкций;
4. агробактериальная трансформация;
5. анализ трансгенных растений.

Перечень оборудования:

1. ДНК-амплификаторы MiniAmp Plus Thermal Cycler (Thermo Fisher Scientific, США) и БИС (Россия);
2. система для ПЦР в реальном времени АНК32 (Синтол, Россия);
3. мультифункциональная центрифуга с охлаждением TGD-22MC (Drawell, Китай);
4. спектрофотометр UV/Vis Portlab 511 (Россия);
5. криоскопический осмометр Osmomat 030-D (Gonotec, Германия);
6. настольная центрифуга с охлаждением M1324R (RWD, Китай);
7. автоклав автоматический ГКа-25 ПЗ (-07) (Россия);
8. сушильный шкаф Binder (Германия);
9. экструдер липосом LiposoFast Basic (Avestin, Канада);
10. ПЦР-бокс и ламинар (Ламинарные системы, Россия);
11. камеры и источники питания для электрофореза белков и нуклеиновых кислот.

ФОТОГАЛЕРЕЯ:

ИСТОРИЯ:

Лаборатория была организована профессором Борисом Петровичем Строгоновым в 1970 г. как Лаборатория солевого обмена и солеустойчивости. Главным направлением исследований лаборатории в то время было изучение метаболизма азота и серы у растений в условиях почвенного засоления. Результаты этих исследований позволили сформулировать концепцию о токсическом действии солей на растения и о специфическом действии хлоридного и сульфатного засоления на метаболические процессы в растительной клетке. Б.П. Строгонов возглавлял лабораторию до 1989 г. С 1989 г. до настоящего времени заведующим лабораторией является д.б.н., профессор Юрий Владимирович Балнокин. В 2013 г. лаборатория была переименована в Лабораторию транспорта ионов и солеустойчивости.