Учёные из МФТИ научились быстро находить “газ” и “тормоз” растений

Агротехнологи МФТИ разработали быстрый способ определения влияния различных химических веществ на рост растений.

Исследователи из МФТИ, центра «Фундаментальные основы биотехнологии» и МГУ им. М. В. Ломоносова вместе с иностранными коллегами из Фрайбургского университета (Германия) придумали быстрый способ подбора веществ, влияющих на скорость роста растений. Учёные разработали технологию тестирования химических соединений на пыльце, вместо использованного ранее способа многодневного тестирования на семенах.  Это существенно ускорит процедуру подбора микроэлементов  для повышения урожайности сельхозкультур, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию Planet Today.

Cотрудники Лаборатории разработки инновационных лекарственных средств МФТИ (слева-направо) Роман Чупров-Неточин, автор статьи, и соавторы - Елена Марусич, Сергей Леонов (руководитель лаборатории) и Полина Волынчук.

Исследовательская группа апробировала свою разработку на табаке (Nicotiana tabacum). В качестве примера они за 2 часа «просеяли» на своей технологии 1040 исследуемых соединений и нашли среди них 65, которые ускоряли или замедляли рост табака. Раньше процедура отбора таких веществ заняла бы недели, а то и месяцы напряжённого труда со сравнительно небольшой производительностью. Технология позволит в короткие сроки находить вещества-модуляторы роста и развития; подробности приведены в журнале BioMed Central Plant Biology.

«Этот метод позволяет в дальнейшем выявить совершенно новые механизмы и молекулярные мишени для избирательного торможения роста вредных и стимуляции роста полезных растений, на что и направлены в настоящий момент исследования нашей международной группы», — рассказывает Сергей Леонов, заведующий Лабораторией разработки инновационных лекарственных средств МФТИ.

Для отбора одного-двух химических соединений, влияющих на скорость развития растений, требуется проверить тысячи (от десятков до сотен тысяч) соединений. Сейчас на исследование эффекта влияния только одного вещества уходит около месяца. Существующий традиционный метод можно назвать «дачным» вариантом. Семена сажают в питательную среду, как на огородную грядку, добавляют тестируемое вещество, как удобрение, и смотрят, как семена развиваются в течение продолжительного периода времени, около двух недель. Эта процедура производится для всей тысячи исследуемых соединений с целью найти самое подходящее вещество — вещество-победитель. На основании того, как быстро развивается семя и появляются побеги, делается вывод, влияет данная химическая молекула на рост растения или нет.

Учёные выдвинули гипотезу, что при прорастании семян на грядке идут схожие процессы и активируются те же гены, что и при развитии пыльцевых трубок из пыльцевого зерна. Это значит, пыльцевое зерно и семя могут иметь одинаковые мишени воздействия — физиологические механизмы растений, на которые влияет химическое соединение. Однако плюс пыльцевых зёрен в том, что их период развития гораздо короче (около двух часов), поэтому тестирование химических соединений можно проводить не на семенах, а на пыльце, что займёт часы, а не недели.

Этот приём позволит значительно повысить производительность определения веществ-победителей среди всех исследуемых соединений: анализ около 10 000 соединений занимает одну неделю. К тому же теперь результат оценивается не «на глазок» учёным, а точно — компьютерным анализом цифровых изображений площади пыльцевой трубки.

рисунок: А) сбор пыльцы В) получение взвеси С) процесс тестирования D) сбор и анализ данных

Процесс проведения эксперимента доведён до автоматизма. Большую часть работы на себя берёт робот. Сначала учёные готовят раствор из пыльцы растения и специальной питательной среды, который распределяется по ячейкам. Туда же добавляются вещества для тестирования. Дальше в игру вступает техника. С помощью автоматизированного микроскопа делаются снимки каждой ячейки в начале эксперимента и через определённые промежутки времени. Каждый снимок обрабатывается специальным софтом, разработанным сотрудниками лаборатории МФТИ совместно со специалистами фирмы Molecular Devices. Программа и делает конечный вывод, является химическое соединение модулятором роста растения или нет. Программа рассчитывает площадь, занимаемую пыльцой на «грядке» (в каждой лунке 384-луночного планшета) в начале и конце эксперимента. После этого она сравнивает результаты этих данных с данными контроля — образца, растущего без какого-либо химического воздействия. Если общая площадь, которую занимает пыльцевое зерно и его пыльцевая трубка в ячейке с веществом, больше, чем в ячейке-контроле, робот даёт результат, что вещество является стимулятором роста, а если меньше — ингибитором.

Знание того, какие вещества и соответствующие механизмы модулируют скорость развития различных растений, позволит направленно либо тормозить рост растений-вредителей, либо стимулировать развитие сельскохозяйственных культур. Что даст значительное повышение производительности в области растениеводства.

Разработки ведутся в рамках государственного проекта повышения конкурентоспособности ведущих российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров 5-100.