Современные научные исследования показали, что жизнь растений намного сложнее и разнообразнее, чем казалось раньше. Она полна борьбы и стрессов, побед и поражений. В последние годы значительный прорыв наблюдается в изучении функций и свойств естественных сигнальных агентов и гормонов в живых клетках. Растительные гормоны (фитогормоны) - своего рода физиологические межклеточные мессинджеры, необходимые для управления всем жизненным циклом растений, кроме того, они производятся в ответ на факторы окружающей среды, такие как доступность питательных веществ, засуха, освещение и т.д. Вопросы внутриклеточной сигнализации, роли фитогормонов в защитных реакциях растений, фундаментальные и прикладные аспекты регуляции роста и развития живых организмов обсуждались на III Международном симпозиуме ISABMD, недавно проходившем во Львове. В его работе приняли участие ученые из ведущих лабораторий мира, в частности Чехии, Швейцарии, Японии, Бельгии, Сингапура, Франции, США, России, Беларуси и Украины.
Мы обратились к известным ученым с просьбой прокомментировать достижения в этой области науки и поделиться мыслями относительно их практического применения.
Валерий Кухар, директор Института биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины, академик НАНУ:
- Сегодня острой проблемой человечества остается обеспечение продуктами питания все большего количества населения в условиях, когда доступные площади сельскохозяйственных земель ограничены. Изменения климата также влияют на урожайность культур, лимитируя производительность растений.
Третий международный симпозиум был посвящен сигнальным системам прежде всего растительной клетки, хотя сегодня ученые выходят за пределы изучения отдельных объектов и рассматривают общее понятие сигнализации в живых системах. Для этого есть основания. Животная клетка эволюционно происходит из растительной клетки, а растения, как известно, были одними из первых живых организмов на планете. Важно также, что животная клетка сохраняет большинство характеристик, присущих растительной клетке. Следовательно, представление о том, как происходит сигнализация в растительной клетке, много дает для понимания аналогичных процессов в клетках животных и человека.
На это время в мире разработано несколько подходов к увеличению массы растительной продукции. Так называемая зеленая революция дала возможность существенным образом повысить урожайность, хотя параллельно создала проблему качества продуктов питания. Следующим этапом было внедрение генетической инженерии, которая вместе с селекцией является сегодня мощным средством регулирования производительности пищевых культур. И все же остается много вопросов, связанных с работой растительной клетки. Есть отставания в понимании физиологии и функций сигнальных систем в растениях.
Впрочем, регуляция растительной клетки изучается уже довольно давно. Среди основателей теории гормональной регуляции растений - академик Н.Холодный, открывший эндогенные растительные регуляторы роста. Сегодня нам известен ряд таких соединений. Среди них цитокинины, гиберелины, брасиностероиды, салициловая кислота и другие регуляторы, которые действуют на молекулярном уровне. Но иногда вопросы, почему они вызывают в растении соответствующие эффекты и какая цепь биологических процессов после этого возникает, остаются или малоизвестными, или не выясненными вообще.
На симпозиуме речь шла о регуляторах роста растений, их роли, функциях и механизмах действия на молекулярном уровне. Некоторые ответы у нас уже есть, однако много еще предстоит сделать, особенно если оценивать не только первичные механизмы действия того или иного регулятора роста, а весь каскад, всю регуляторную систему, которая в итоге приводит к выживанию самого растения, регуляции его процессов образования полезных веществ, повышения урожайности и т.д. Это важно еще и потому, что уже давно используются синтетические регуляторы роста. Но механизм действия таких регуляторов роста не всегда понятен и нуждается в обосновании принципов регуляции метаболизма. Если поймем, как проходят биологические процессы и как происходит сигнализация, мы сможем создать более «мощную» сигнальную молекулу и «предложить» ее растению. В то же время, если на пути всей этой сигнальной системы возникнут какие-то сбои, мы сможем управлять ею благодаря добавлению тех или иных сигнальных веществ/молекул. Почему это важно? Мы хотим обеспечить самую высокую урожайность и самую большую устойчивость. В Украине предполагается повышение температуры, усиление процесса опустынивания восточных и южных районов. На почвах с высоким содержимым солей это будет сказываться на жизни растений в форме солевого или температурного стрессов. Если мы будем понимать сигнальные системы, то, возможно, сможем регулировать эти процессы, что позволит в условиях засухи выращивать хорошие урожаи.
Хитоши Сакакибара, профессор (Центр исследования растений RIKEN, Йокогама, Япония):
- Растения в процессе своего роста и развития беспрерывно испытают влияние изменяющихся условий среды. К таким принадлежат циклические изменения температуры, освещения, влажности, а также атаки патогенных микроорганизмов, грибов или насекомых. Клетки растений в ответ на перечисленные факторы синтезируют гормоны. Эти гормоны в дальнейшем способны вызвать активацию клеточных механизмов регуляции, которая приводит к изменениям экспрессии генов, и таким образом - изменений в метаболизме клеток. Меня и многих других исследователей интересует, какие конкретно сигнальные пути непосредственно индуцируются в клетках растений под воздействием гормонов или стрессов. Среди таких сигнальных систем клетки особое внимание отводится липидной сигнализации, когда специальные ферменты фосфолипазы способны расщеплять типичные структурные компоненты мембран - фосфолипиды - из образования соединений регуляторного действия. Важно понимать, какие именно фосфолипазы активируются в специфических условиях. Важным вопросом остается и взаиморегуляция фосфолипаз и других сигнальных систем клеток растений.
Если ученые выяснят механизмы реакции растений на стрессы, они смогут «спроектировать» растения, которые более толерантно будут реагировать на агрессивное влияние среды благодаря, например, гиперактивированным адаптационным механизмам.
Владимир Хрипач, профессор, заведующий лабораторией химии стероидов Института биоорганической химии (Минск, Беларусь):
- Одна из самых увлекательных идей, в значительной мере определяющих главное направление наших исследований, связана с открытием способности стероидных гормонов растений вызывать разные физиологические эффекты у животных и человека. Эти гормоны (их еще называют брасиностероидами) уже давно являются предметом нашего научного интереса. До недавнего времени они рассматривались преимущественно с точки зрения физиологии растений как ключевые сигнальные молекулы растительной клетки и перспективные средства повышения производительности для растениеводства. Нашему научному коллективу сопутствовала удача в решении сложнейшей проблемы, которая стоит на пути внедрения, - в обеспечении широкой практической доступности гормонов, естественные источники которых крайне ограничены. Это позволило нам не только впервые создать агропрепараты на основе брасиностероидов и начать их производство, но и организовать широкое изучение действия этих растительных гормонов за пределами растительного царства. Прежде всего у человека, сельскохозяйственных животных и рыб, которые на протяжении всей общей эволюции с растениями потребляют, хотя и в небольших количествах, брасиностероиды в составе растительной пищи.
Как выяснилось, действие стероидных гормонов растений у животных имеет большое сходство с их действием в растениях. Это касается и эффективной дозы, и профиля физиологической активности. Последняя, как и выслеженная на растениях, характеризуется выраженным стимулирующим и защитным действием, повышением приспособленности организма к неблагоприятным факторам и стрессам, стойкости к патогенам, противодействием развитию ряда патологических состояний. Указанные свойства брасиностероидов формируют хорошую перспективу для создания на их основе принципиально новых средств борьбы с болезнями и профилактики опасных заболеваний. Именно в этом направлении мы сейчас активно работаем.
Хотя в хронологии исследований гормонов растений брасиностероиды характеризуются беспрецедентной «молодостью», мы можем сегодня с уверенностью говорить об их исключительной значимости для сельскохозяйственного производства и медицины. Фактически все фундаментальные исследования в области стероидных гормонов растений, которые проводятся в нашем институте, ориентированы на создание научных основ производства и применения новых биорациональных агропрепаратов и лекарственных средств, не имеющих аналогов. Они хорошо зарекомендовали себя как эффективные и экологически безопасные средства защиты и повышения урожайности многих сельскохозяйственных культур и затребованы в нашей стране и на международном рынке.
Интересно отметить, что первый американский препарат этого типа был зарегистрирован в США лишь в 2011 году.
Сегодня мы уже также можем назвать первые брасиностероидные препараты, созданные в нашей лаборатории и предназначенные для использования за пределами растительного царства. Это, в частности, пищевая добавка с адаптогенным, иммуностимулирующим и стресс-протекторным действием, которая также способствует быстрому восстановлению организма после физических нагрузок. В разработке находятся препараты для улучшения воспроизведения крупного рогатого скота и борьбы с болезнями птиц. Наши планы в области медицинского использования результатов исследований связаны с запланированными на ближайшее время клиническими испытаниями антихолестеринемического брасиностероидного препарата для лечения и профилактики сердечно-сосудистых заболеваний. На основании имеющихся данных доклинического исследования мы считаем, что новое лечебное средство способно серьезно потеснить статины, которые сейчас являются самыми распространенными препаратами указанного профиля. Надеюсь, этот сжатый обзор важнейших аспектов работы по внедрению результатов позволяет составить представление о практической направленности наших исследований и их значении для общества.