ВЛИЯНИЕ МЕЛАТОНИНА НА РОСТ И МЕТАБОЛИЗМ КЛЕТОЧНОЙ КУЛЬТУРЫ LYCHNIS CHALCEDONICA L
|
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ 4
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Литературный обзор 7
1.1 Культура in vitro: каллус 7
1.2 Роль мелатонина в растениях 8
1.2.1 Мелатонин: структура, синтез и роль в растительных организмах 8
1.2.2 Биосинтез мелатонина у растений 10
1.2.3 Сигнальные пути мелатонина в растениях 13
1.2.4 Физиологические функции мелатонина у растений 17
1.2.5 Влияние мелатонина на устойчивость растений к абиотическому стрессу .20
2 Объект и методы исследования 23
2.1 Объект исследования 23
2.1.1 Семейство Caryophyllaceae - систематика, морфология, экология 25
2.1.2 Особенности вторичного метаболизма представителей семейства
Caryophyllaceae 27
2.2 Методы исследования 29
2.2.1 Приготовление питательной среды 29
2.2.1 Приготовление стерильной посуды 30
2.2.2 Работа в ламинарном боксе и культивирование 31
2.2.3 Построение кривой роста каллусной культуры 31
2.2.4 Определение свободного пролина 32
2.2.5 Определение малонового диальдегида 33
2.2.7 Определение пероксида водорода 34
2.2.8 Определение содержания растворимых фенольных соединений 35
2.2.9 Обработка данных и статистический анализ 36
3 Влияние мелатонина на рост и метаболизм клеточной культуры Lychnis chalcedonica L 37
3.1 Особенности каллусной культуры лихниса 37
3.2 Влияние мелатонина на рост каллусной культуры L. Chalcedonica 47
3.3 Влияние мелатонина на метаболизм клеточной культуры L. Chalcedonica 49
3.3.1 Малоновый диальдегид как маркер перекисного окисления липидов 49
3.3.2 Пролин как осмопротектор и антиоксидант 53
3.3.3 Фенольные соединения как антиоксиданты и маркёры метаболической
активности 57
3.3.4 Перекись водорода как сигнальная молекула и маркер окислительного стресса 60
ВЫВОДЫ 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 66
ВВЕДЕНИЕ 5
1 Литературный обзор 7
1.1 Культура in vitro: каллус 7
1.2 Роль мелатонина в растениях 8
1.2.1 Мелатонин: структура, синтез и роль в растительных организмах 8
1.2.2 Биосинтез мелатонина у растений 10
1.2.3 Сигнальные пути мелатонина в растениях 13
1.2.4 Физиологические функции мелатонина у растений 17
1.2.5 Влияние мелатонина на устойчивость растений к абиотическому стрессу .20
2 Объект и методы исследования 23
2.1 Объект исследования 23
2.1.1 Семейство Caryophyllaceae - систематика, морфология, экология 25
2.1.2 Особенности вторичного метаболизма представителей семейства
Caryophyllaceae 27
2.2 Методы исследования 29
2.2.1 Приготовление питательной среды 29
2.2.1 Приготовление стерильной посуды 30
2.2.2 Работа в ламинарном боксе и культивирование 31
2.2.3 Построение кривой роста каллусной культуры 31
2.2.4 Определение свободного пролина 32
2.2.5 Определение малонового диальдегида 33
2.2.7 Определение пероксида водорода 34
2.2.8 Определение содержания растворимых фенольных соединений 35
2.2.9 Обработка данных и статистический анализ 36
3 Влияние мелатонина на рост и метаболизм клеточной культуры Lychnis chalcedonica L 37
3.1 Особенности каллусной культуры лихниса 37
3.2 Влияние мелатонина на рост каллусной культуры L. Chalcedonica 47
3.3 Влияние мелатонина на метаболизм клеточной культуры L. Chalcedonica 49
3.3.1 Малоновый диальдегид как маркер перекисного окисления липидов 49
3.3.2 Пролин как осмопротектор и антиоксидант 53
3.3.3 Фенольные соединения как антиоксиданты и маркёры метаболической
активности 57
3.3.4 Перекись водорода как сигнальная молекула и маркер окислительного стресса 60
ВЫВОДЫ 64
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 66
У высших растений все физиологические и биохимические процессы находятся в строгой взаимосвязи, образуя сложную систему регуляции, обеспечивающую их нормальный рост и развитие. Ключевую роль в поддержании этой взаимосвязи играет гормональная система, включающая комплекс фитогормонов, специфических рецепторов и вторичных мессенджеров. Фитогормоны контролируют такие фундаментальные процессы как деление и растяжение клеток, органогенез, цветение, старение и адаптацию к стрессовым условиям.
В последние годы особый интерес вызывает мелатонин (N-ацетил-5- метокситриптамин) - фитогормон, известный значительной ролью в регуляции циркадных ритмов у животных. У растений это соединение демонстрирует широкий спектр физиологической активности, включая регуляцию ростовых процессов, повышение стрессоустойчивости и модуляцию антиоксидантной защиты (Li et al., 2015). Особенно важно, что мелатонин способен влиять на экспрессию генов, связанных с ответом на стресс (Weeda et al., 2014), что открывает новые перспективы для его применения в биотехнологии растений. Особый интерес представляет изучение действия мелатонина на каллусные культуры, которые являются удобной моделью для исследования механизмов регуляции роста и метаболизма in vitro. Каллусная культура Lychnis chalcedonica(зорьки обыкновенной) представляет значительный интерес как источник биологически активных соединений, однако влияние мелатонина на ее ростовые характеристики и метаболический профиль остается практически не изученным.
Для L. chalcedonica,содержащего уникальные фенольные соединения с доказанной биологической активностью (Kukina et al., 2020), применение мелатонина может стать ключом к оптимизации процессов образования каллуса и повышению продуктивности по целевым метаболитам.
Последние исследования подчеркивают видовую специфичность реакции растительных клеток на мелатонин (Back, 2021), что делает необходимым проведение детальных исследований для каждого конкретного объекта. Отсутствие данных по действию мелатонина на каллусные культуры L. chalcedonicaопределяет новизну предлагаемого исследования.
В связи с этим, целью данной работы стало изучение влияния мелатонина на рост и метаболизм каллусной культуры L. chalcedonica.В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Изучить ростовой потенциал линий каллусной культуры лихниса, полученных от разных эксплантов, с помощью кривых роста культуры;
2. Оценить физиологическое состояние линий каллусной культуры лихниса, полученных от разных эксплантов, в процессе культивирования;
3. Определить роль мелатонина в регуляции ростовых процессов линий каллусной культуры, полученных от разных эксплантов;
4. Определить роль мелатонина в регуляции метаболических процессов (перекисное окисление липидов, содержание свободного пролина и суммы флавоноидов) линий каллусной культуры, полученных от разных эксплантов.
Работа выполнена на кафедре физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики Национального исследовательского Томского государственного университета.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.б.н., профессору И.Ф. Головацкой, а также М. К. Кадырбаеву за помощь и полезные советы в ходе исследовательской работы.
Результаты материалов исследований представлены на Международной научной конференции (г.Минск, 2024) и 3-х региональных студенческих конференциях («Старт в науку» Томск, 2024, 2025 и Саратов, 2024).
В последние годы особый интерес вызывает мелатонин (N-ацетил-5- метокситриптамин) - фитогормон, известный значительной ролью в регуляции циркадных ритмов у животных. У растений это соединение демонстрирует широкий спектр физиологической активности, включая регуляцию ростовых процессов, повышение стрессоустойчивости и модуляцию антиоксидантной защиты (Li et al., 2015). Особенно важно, что мелатонин способен влиять на экспрессию генов, связанных с ответом на стресс (Weeda et al., 2014), что открывает новые перспективы для его применения в биотехнологии растений. Особый интерес представляет изучение действия мелатонина на каллусные культуры, которые являются удобной моделью для исследования механизмов регуляции роста и метаболизма in vitro. Каллусная культура Lychnis chalcedonica(зорьки обыкновенной) представляет значительный интерес как источник биологически активных соединений, однако влияние мелатонина на ее ростовые характеристики и метаболический профиль остается практически не изученным.
Для L. chalcedonica,содержащего уникальные фенольные соединения с доказанной биологической активностью (Kukina et al., 2020), применение мелатонина может стать ключом к оптимизации процессов образования каллуса и повышению продуктивности по целевым метаболитам.
Последние исследования подчеркивают видовую специфичность реакции растительных клеток на мелатонин (Back, 2021), что делает необходимым проведение детальных исследований для каждого конкретного объекта. Отсутствие данных по действию мелатонина на каллусные культуры L. chalcedonicaопределяет новизну предлагаемого исследования.
В связи с этим, целью данной работы стало изучение влияния мелатонина на рост и метаболизм каллусной культуры L. chalcedonica.В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Изучить ростовой потенциал линий каллусной культуры лихниса, полученных от разных эксплантов, с помощью кривых роста культуры;
2. Оценить физиологическое состояние линий каллусной культуры лихниса, полученных от разных эксплантов, в процессе культивирования;
3. Определить роль мелатонина в регуляции ростовых процессов линий каллусной культуры, полученных от разных эксплантов;
4. Определить роль мелатонина в регуляции метаболических процессов (перекисное окисление липидов, содержание свободного пролина и суммы флавоноидов) линий каллусной культуры, полученных от разных эксплантов.
Работа выполнена на кафедре физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики Национального исследовательского Томского государственного университета.
Автор выражает благодарность своему научному руководителю д.б.н., профессору И.Ф. Головацкой, а также М. К. Кадырбаеву за помощь и полезные советы в ходе исследовательской работы.
Результаты материалов исследований представлены на Международной научной конференции (г.Минск, 2024) и 3-х региональных студенческих конференциях («Старт в науку» Томск, 2024, 2025 и Саратов, 2024).
На основании проведенных исследований, в соответствии с целью и поставленными задачами, были сделаны следующие выводы:
1. Установлено, что ростовой потенциал каллусной культуры L. chalcedonica L.в условиях in vitroзависел от типа исходного экспланта. Каллусная культура, полученная от экспланта листа, характеризовалась интенсивным и стабильным приростом биомассы на протяжении всего 28-дневного цикла культивирования. У культуры, полученной от гипокотиля, жизненный цикл был короче с пиком роста на 21-е сутки и последующим резким спадом, свидетельствующим о начале деградации.
2. Оценка физиологического состояния контрольных культур показала, что линия, полученная из листа, является более стабильной. Линия, полученная от экспланта гипокотиля, к 28-м суткам характеризовалась высоким уровнем маркеров окислительного повреждения.
3. Установлено, что мелатонин является тканеспецифичным регулятором ростовых процессов для каллусной культуры лихниса. Мелатонин усиливал активный рост листовой линии с большей эффективностью при концентрации 10 9 М. У гипокотильной линии мелатонин обеспечил значительный прирост биомассы к концу культивирования, предотвращая деградацию клеток и выполняя протекторную роль.
4. Установлено, что в основе росторегулирующего действия мелатонина лежит его способность модулировать метаболические процессы, связанные с окислительным стрессом. Мелатонин снижал уровень перекиси водорода и, уменьшал повреждение клеточных мембран, снижая ПОЛ. Были выявлены дозо-зависимые метаболические стратегии для двух линий культур. У листовой линии культуры 10 9 М мелатонин активировал одновременно синтез пролина и фенольных соединений. В гипокотильной линии культуры 10 12 М мелатонин активировал синтез фенольных соединений. 10 9 М мелатонин активировал накопление пролина для поддержания гомеостаза в условиях активного роста.
1. Установлено, что ростовой потенциал каллусной культуры L. chalcedonica L.в условиях in vitroзависел от типа исходного экспланта. Каллусная культура, полученная от экспланта листа, характеризовалась интенсивным и стабильным приростом биомассы на протяжении всего 28-дневного цикла культивирования. У культуры, полученной от гипокотиля, жизненный цикл был короче с пиком роста на 21-е сутки и последующим резким спадом, свидетельствующим о начале деградации.
2. Оценка физиологического состояния контрольных культур показала, что линия, полученная из листа, является более стабильной. Линия, полученная от экспланта гипокотиля, к 28-м суткам характеризовалась высоким уровнем маркеров окислительного повреждения.
3. Установлено, что мелатонин является тканеспецифичным регулятором ростовых процессов для каллусной культуры лихниса. Мелатонин усиливал активный рост листовой линии с большей эффективностью при концентрации 10 9 М. У гипокотильной линии мелатонин обеспечил значительный прирост биомассы к концу культивирования, предотвращая деградацию клеток и выполняя протекторную роль.
4. Установлено, что в основе росторегулирующего действия мелатонина лежит его способность модулировать метаболические процессы, связанные с окислительным стрессом. Мелатонин снижал уровень перекиси водорода и, уменьшал повреждение клеточных мембран, снижая ПОЛ. Были выявлены дозо-зависимые метаболические стратегии для двух линий культур. У листовой линии культуры 10 9 М мелатонин активировал одновременно синтез пролина и фенольных соединений. В гипокотильной линии культуры 10 12 М мелатонин активировал синтез фенольных соединений. 10 9 М мелатонин активировал накопление пролина для поддержания гомеостаза в условиях активного роста.