Ученые из МФТИ научились быстро находить «газ» и «тормоз» 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. Ученые 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.

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 напряженного 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.

Ученые 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 зерен в том, что их период развития гораздо короче (около двух часов), поэтому тестирование химических соединений можно проводить не на семенах, а на пыльце, что займет часы, а не недели.

Этот прием 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» ученым, а точно — компьютерным анализом цифровых изображений площади пыльцевой трубки.

Процесс проведения эксперимента доведен до автоматизма. Большую часть работы на себя берет робот. Сначала ученые 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 определенные 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 дает 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.