Биологический факультет СПбГУ

биофак СПбГУ


Руководитель: профессор, доктор биологических наук С.С. Медведев

Направления работы: 

  • Гравитационная биология растений. 
  • Клеточные механизмы и молекулярные основы становления полярности растительных организмов. 
  • Механизмы гравитропической реакции растений. 

В течение длительного периода эволюции наземные растения хорошо приспособились к гравитационным условиям Земли и используют вектор силы тяжести как надежный ориентир и главную ось, относительно которой строится и функционирует организм. Вектор силы тяжести можно сравнить с компасом относительно которого растительный организм создает оси полярности, которые служат основой для разметки формирующихся тканей и органов растения. У растений имеется две реакции на гравитацию: гравитропизм и сопротивление гравитации (которое позволяет растению развиваться против силы гравитации за счет увеличения жесткости клеточной стенки). Поэтому каждое растение способно "оценивать" свое положение относительно вектора силы тяжести и при необходимости корректировать его за счет поляризованного роста в ходе гравитропизма. Для изучения роли силы тяжести в физиологии растительного организма уникальную возможность дает космическая (гравитационная) биология. Эффективным способом изучения роли гравитации в формировании и функционировании растений на Земле является рандомизации их положения относительно вектора гравитации при помощи устройств, которые способны вращать объект, изменяя не только скорость, но и направление вращения.


Нами была разработана и сконструирована модель клиностата, которая позволяет рандомизировать положение выращиваемых растений относительно вектора силы тяжести путем их постоянного вращения в 3-х взаимно перпендикулярных осях со случайно изменяющейся скоростью и направления вращения. 



Такие клиностаты называют устройства случайного позиционирования (RPM, random positioning machines). Разработано программное обеспечение, которое позволяет случайным образом на основе нормального закона распределения генерировать скорость вращения, время движения на заданной скорости и направление движения для каждого из 3-х двигателей клиностата.

Применение RPM создает эффекты, сравнимые с эффектами микрогравитации в космосе, когда изменения направления происходят быстрее, чем время реакции объекта на гравитацию. В результате рандомизация положения растений относительно вектора силы тяжести инициирует хаотичный, ориентированный в разные стороны проростков и метаболические изменения на уровне тканей и клеток. С использованием газовой и высокоэффективной жидкостной хроматографии, сопряженной с масс-спектрометрией, мы провели протеомный и метаболомный анализ надземных частей и корневых систем клиностатируемых проростков арабидопсиса и рапса и продемонстрировали кардинальные перестройки метаболизма, связанные с приспособлением к условиям «симулированной» микрогравитации. Происходит перестройка элементов цитоскелета и сети полимеров клеточной стенки, что нарушает работу системы Са-сигналинга и полярный транспорт ауксина. Экспрессируются гены, кодирующие белки, отвечающие за разборку актиновых микрофиламентов, а также гены SOSEKI, кодирующие белки, которые являются интеграторами сигналов, поступающих от инструментов полярности растительных клеток. Нарушение ориентации растений в пространстве приводит к нарушению транспортной логистики клетки: процессов везикулярного транспорта РIN-белков, каналов, переносчиков ионов Са2+, ROP-белков, элементов клеточной стенки. В результате нарушается функционирование клеточных инструментов полярности, приводящее к хаотичности процессов роста и морфогенеза. Эти результаты имеют не только фундаментальное, но и практическое значение, поскольку позволяют найти подходы к разработке технологий растениеводства на орбитальных космических станциях, других планетах и при длительных полетах человека в космосе.

Сотрудничество с научными группами:

Факультет космических исследований МГУ, Москва

НИР «Разработка и лётные испытания автономной и масштабируемой оранжереи для непрерывной эксплуатации в условиях невесомости и исследование влияний внешних воздействующих факторов космического полёта и тактико-технических характеристик оранжереи на изменение растений и психологическое состояние экипажа» 

Грантовая поддержка: 

РФФИ № 20–04–01041 "Механизмы полярного роста растений в условиях рандомизации вектора силы тяжести" (2020–2022)

РФФИ № 17–04–00862 "Механизмы адаптации растений к микрогравитации, моделированной путем 3D-клиностатирования" (2017–2019). 

РФФИ № 14–04–01624 «Клеточные основы полярного роста растений» (2014–2016).

Основные публикации: 

  • Pozhvanov G., Sharova E., Medvedev S. (2021) Microgravity modelling by two-axial clinorotation leads to scattered organisation of cytoskeleton in Arabidopsis seedlings. Funct. Plant Biol. 48: 1062. doi:10.1071/FP20225.
  • Chantseva V., Bilova T., Smolikova G., Frolov A., Medvedev S. (2019) 3D-clinorotation induces specific alterations in metabolite profiles of germinating Brassica napus L. seeds. Biological Communication. 64: 55–74. doi:10.21638/spbu03.2019.107.
  • Frolov A., Didio A., Ihling C., Chantzeva V., Grishina T., Hoehenwarter W., Sinz A., Smolikova G., Bilova T., Medvedev S. (2017) The effect of simulated microgravity on the Brassica napus seedling proteome. Functional Plant Biology. 45: 440. doi:10.1071/FP16378.






© Биологический факультет СПбГУ, 2006-2011