75 лет физиологии растений на Среднем Урале

И.С. Киселева, УрФУ, Екатеринбург

В конце войны в 1944 в Свердловск для организации биологического факультета был направлен профессор Григорий Васильевич Заблуда (1902- 1994). Он стал первым деканом и первым заведующим кафедрой физиологии растений, которую возглавлял по 1958 год. Под лаборатории нужно было обустроить помещения бывшей школы, найти оборудование в условиях военного времени. За личные средства приобреталась мебель и книги, а в штате преподавателей только заведующий и ассистент. Первый выпуск физиологов растений в количестве одного человека состоялся в 1949 году.

В 1958 году факультет и кафедру физиологии растений возглавил Владимир Владимирович Юркевич, известный биохимик и микробиолог, выпускник МГУ. Его исследования по ферментативной активности микроорганизмов стали началом работ биохимического и микробиологического направлений. В 1963 г. кафедру возглавил ее выпускник Адольф Трофимович Мокроносов, ставший основателем школы уральских фитофизиологов. Он сплотил увлеченных наукой студентов-исследователей фотосинтеза и экологической физиологии растений. В 1963 на кафедре была открыта учебно-научная изотопная лаборатория фотосинтеза, функционирующая по сей день. Результатом исследований 1960-1970-х гг. стала общая схема эндогенной регуляции фотосинтеза, создана теория донорно-акцепторных связей органов в растении, разработан метод мезоструктуры фотосинтетического аппарата. В 1966 г. на кафедре была организована лаборатория биофизики. Ее возглавил доцент И.А. Рыбин, который после стажировки в США в лаборатории М. Кальвина сформировал новое направление – исследование светозависимойбиоэлектрической активности листьев.

В 1980-2000-х гг. в развитие исследований в области фотосинтеза внесли вклад ученики А.Т. Мокроносова: В.И. Пьянков и И.С. Киселева, а в последствии и их ученики. Эколого-физиологические исследования возглавил В.И. Пьянков. Вопросы обеспечения продукционного процесса культурных растений, фундаментальные проблемы интеграции фотосинтеза и роста, гормональной регуляции донорно-акцепторных связей органов, фотосинтетической, транспортной и запасающей функций у культурных и дикорастущих видов развивались Р.А. Борзенковой, И.С. Киселевой, Г.Ф. Некрасовой.

Пьянков организовал ряд экспедиций с целью изучения особенностеймезоструктуры и фотосинтетического метаболизма растений разных климатических зон, что позволило определить общие тенденции изменения ассимиляционного аппарата вдоль широтного и высотного градиентов, а также в зависимости от основных экологических факторов; выявить общие закономерности климатического распределения С3 и С4 растений. Он занимался разработкой критериев и способов выделения функциональных типов растений на основе структуры фототрофных тканей листа и экологической стратегии вида.

В 2000-х усилиями С.Ю. Ковалева, выпускника УрГУ, на кафедре начали применять молекулярно-генетические методы исследований.

С 2008 г. кафедрой руководит Киселева Ирина Сергеевна. Кроме традиционных для кафедры направлений исследований в области фотосинтеза, роста, донорно-акцепторных связей в растении (И.С. Киселева, Р.А. Борзенкова, О.С. Синенко), развиваются новые: биотехнология растений (А.А. Ермошин, А.С. Тугбаева), физиология стресса растений и фундаментальные основы фиторемедиации нарушенных земель (И.С. Киселева, Г.Г. Борисова, М.Г. Малева, Н.В. Чукина), поиск и испытание действия новых БАВ - природных и синтетических (И.С. Киселева, А.А. Ермошин, Б.А. Галишев).

Сотрудниками кафедры в модельных экспериментах выявлены тонкие биохимические механизмы адаптации растений к тяжелым металлам и органическим поллютантам - фенолам (резорцин, пирокатехин, гидрохинон). Значительный объем исследований проведен в экосистемах зон Карабашского и Среднеуральского медеплавильного комбинатов, Нижнетагильского металлургического комбината, УралХоромпик и других предприятий. Показано, что в зависимости от типа поллютанта и видовой специфики растения имеют различные стратегии адаптации к техногенному воздействию. Обнаружены компенсаторные изменения тканевой организации листьев у растений из импактных участков. В модельных условиях изучено влияние предварительной инкубации водного макрофитаEgeriadensaв среде с экзогенными антоцианами на ключевые метаболические процессы (фотосинтез и дыхание) и про-/антиоксидантный баланс растений при действии тяжелых металлов. Показана способность антоцианов уменьшать токсические эффекты, вызванные ионами кадмия. Выявлена стимуляция антоцианами активности каталазы и аскорбатпероксидазы, альтернативного дыхания и накопления неэнзиматических антиоксидантов (каротиноиды, аскорбат и пролин). Обнаружено, что добавление мочевины в концентрации 2 мМ усиливало аккумуляцию Ni и Cu в побегах элодеи и снижало токсическое действие тяжелых металлов. В то же время ее повышенная концентрация увеличивала токсичность металлов, особенно меди. Проведены исследования по оценке устойчивости разновозрастных фототрофных клеток к действию абиотических стрессовых факторов. Выявлена специфика действия спектра температур в разных фазах онтогенеза клетки на синтез фотосинтетических пигментов.

С 2012 года на кафедре ведутся работы по физиологии трансгенного растения. Совместно с коллегами из Пущино и Уфы изучены параметры продукционного процесса, донорно-акцепторные связи органов, фотосинтетические характеристики и формирование генеративной сферы у растений табака с введенными в прямой или обратной ориентации гетерологичными генами. Изучена устойчивость большого числа линий табака с трансгенами hmg1, iaam, cla3, arl, ipt, iaam, gstк неблагоприятным факторам внешней среды: засолению, засухе, ионам меди и фитопатогенам. Уточнена роль генов arlи cla3 в регуляции роста растений: они отвечают за рост клеток в апикальной меристеме, но за разные стадии: один за деление и растяжение клеток, другой регулирует только растяжение клеток. Начаты работы по клеточной селекции растений на устойчивость к тяжелым металлам. Получены линии клевера ползучего, устойчивого к высоким дозам ионов меди.

В 2016 году начаты исследования роли ризосферных и эндофитных бактерий в формировании устойчивости растений к техногенным поллютантам. Эти работы выполняют совместно российские и иностранные сотрудники и аспиранты кафедры.

Совместно с китайскими коллегами впервые проведена идентификация вторичных соединений экстрактов 10 видов трутовых грибов Урала. Показано, что 3 вида содержат терпены, которые могут обладать противоопухолевой активностью. Обнаружено более 10 БАВ фенольной и терпеноидной природы. Показано, что экстракты трутовых грибов могут влиять на рост растений на ранних этапах онтогенеза, вызывая стимуляцию или ингибирование (в зависимости от концентрации) прорастания семян и рост проростков. Кафедра сотрудничает с московскими физиологами и биохимиками (проф. А.М. Носов, доц. Д.В. Кочкин) в работе по обнаружению вторичных метаболитов растений с использованием метода хроматомасс-спектрометрии.

За последние годы на кафедре реализовано 4 проекта ФЦП, 3 гранта РФФИ, защищены 4 кандидатские диссертации.

В 2017 г. в ходе структурных перестроек в УрФУ кафедра была переименована в кафедру экспериментальной биологии и биотехнологий. Ее ядро по-прежнему, составляют физиологи растений, однако расширение тематики исследований и комплексный характер проектов привлекли к их реализации микробиологов, биохимиков, генетиков, экологов.

Исследования по физиологии растений, начатые в Свердловске Г.В. Заблудой и продолженные трудами А.Т. Мокроносова и его учеников, успешно развиваются в Екатеринбурге новыми поколениями фитофизиологов на современном уровне знаний и методических возможностей.