Сигнали з мікросвіту

Сучасні наукові дослідження показали, що життя рослин набагато складніше й різноманітніше, ніж здавалося раніше. Воно сповнене боротьби і стресів, перемог і поразок. Останніми роками значний прорив спостерігається у вивченні функцій та властивостей природних сигнальних агентів і гормонів у живих клітинах. Рослинні гормони (фітогормони) - свого роду фізіологічні міжклітинні месенджери, що необхідні для керування всім життєвим циклом рослин, крім того, вони виробляються у відповідь на чинники довкілля, такі як доступність поживних речовин, посуха, освітлення тощо. Питання внутрішньоклітинної сигналізації, ролі фітогормонів у захисних реакціях рослин, фундаментальні та прикладні аспекти регуляції росту і розвитку живих організмів обговорювалися на III міжнародному симпозіумі ISABMD, що відбувся недавно у Львові. В його роботі взяли участь науковці з провідних лабораторій світу, зокрема Чехії, Швейцарії, Японії, Бельгії, Сінгапуру, Франції, США, Росії, Білорусі та України.

Ми звернулися до відомих учених із проханням прокоментувати здобутки у цій царині науки та поділитися думками щодо їх практичного застосування.

Валерій Кухар, директор Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України, академік НАНУ:

- На сьогодні гострою проблемою людства залишається забезпечення продуктами харчування дедалі більшої кількості населення в умовах, коли доступні площі сільськогосподарських земель обмежені. Зміни клімату також впливають на врожайність культур, лімітуючи продуктивність рослин.

Третій міжнародний симпозіум був присвячений сигнальним системам перш за все рослинної клітини, хоча сьогодні вчені виходять за межі вивчення окремих об’єктів і розглядають загальне поняття сигналізації у живих системах. Для цього є підстави. Тваринна клітина еволюційно походить із рослинної клітини, а рослини, як відомо, були одними з перших живих організмів на планеті. Важливо також, що тваринна клітина зберігає більшість характеристик, властивих рослинній клітині. Тож уявлення про те, як відбувається сигналізація в рослинній клітині, багато дає для розуміння аналогічних процесів у клітинах тварин та людини.

На цей час у світі напрацьовано кілька підходів до збільшення маси рослинної продукції. Так звана «зелена революція» дала змогу істотно підвищити врожайність, хоча паралельно породила питання якості продуктів харчування. Наступним етапом було впровадження генетичної інженерії, що разом із селекцією є на сьогодні потужним засобом регулювання продуктивності харчових культур. І все ж залишається чимало питань, пов’язаних із роботою рослинної клітини. Є відставання у розумінні фізіології та функцій сигнальних систем у рослинах.

Втім, регуляція рослинної клітини вивчається вже досить давно. Серед засновників теорії гормональної регуляції рослин - академік М.Холодний, який відкрив ендогенні рослинні регулятори росту.

Сьогодні нам відома низка таких сполук. Серед них - цитокініни, гібереліни, брасиностероїди, саліцилова кислота та інші регулятори, які діють на молекулярному рівні. Але інколи питання, чому вони викликають у рослині відповідні ефекти і який ланцюг біологічних процесів після цього утворюється, залишаються або маловідомими, або не з’ясованими взагалі.

На симпозіумі йшлося про регулятори росту рослин, їх роль, функції та механізм дії на молекулярному рівні. Деякі відповіді ми вже маємо, однак багато ще доведеться зробити, особливо коли оцінювати не лише первинні механізми дії того або іншого регулятора росту, а весь каскад, усю регуляторну систему, яка врешті-решт приводить до виживання самої рослини, регуляції її процесів утворення корисних речовин, підвищення врожайності тощо. Це важливо ще й тому, що вже давно використовуються синтетичні регулятори росту. Але механізм дії таких регуляторів росту не завжди зрозумілий і потребує обґрунтування принципів регуляції метаболізму. Якщо збагнемо, як проходять біологічні процеси і як відбувається сигналізація, ми зможемо створити більш «потужну» сигнальну молекулу й «запропонувати» її рослині. Натомість, якщо на шляху всієї цієї сигнальної системи виникнуть якісь збої, ми зможемо керувати нею завдяки додаванню тих або інших сигнальних речовин/молекул. Чому це важливо? Ми хочемо забезпечити найвищу врожайність і найбільшу стійкість. В Україні передбачається підвищення температури, посилення процесу опустелювання східних та південних районів. На ґрунтах із високим вмістом солей це позначатиметься на житті рослин у формі сольового або температурного стресів. Якщо ми розумітимемо сигнальні системи, то, можливо, зможемо регулювати ці процеси, що дозволить в умовах посухи вирощувати добрі врожаї.

Хітоші Сакакібара, професор (Центр дослідження рослин RIKEN, Йокогама, Японія):

- Рослини у процесі свого росту та розвитку безперервно зазнають впливу змінних умов середовища. До таких належать циклічні зміни температури, освітлення, вологості, а також атаки патогенних мікроорганізмів, грибів або комах. Клітини рослин у відповідь на перелічені чинники синтезують гормони. Ці гормони надалі здатні викликати активацію клітинних механізмів регуляції, що приводить до змін експресії генів, і отже - змін у метаболізмі клітин. Мене та багатьох інших дослідників цікавить, які конкретно сигнальні шляхи безпосередньо індукуються у клітинах рослин під дією гормонів або стресів. Серед таких сигнальних систем клітини особлива увага приділяється ліпідній сигналізації, коли спеціальні ферменти фосфоліпази здатні розщеплювати типові структурні компоненти мембран - фосфоліпіди - з утворення сполук регуляторної дії. Важливе розуміння того, які саме фосфоліпази активуються у специфічних умовах. Важливим питанням залишається і взаєморегуляція фосфоліпаз та інших сигнальних систем клітин рослин.

Якщо вчені з’ясують механізми реакції рослин на стреси, вони зможуть «спроектувати» рослини, котрі толерантніше реагуватимуть на агресивний вплив середовища завдяки, наприклад, гіперактивованим адаптаційним механізмам.

Володимир Хрипач, професор, завідуючий лабораторією хімії стероїдів Інституту біоорганічної хімії (Мінськ, Білорусь):

- Одна з найзахопливіших ідей, що значною мірою визначають головний напрям наших досліджень, пов’язана з відкриттям здатності стероїдних гормонів рослин викликати різні фізіологічні ефекти у тварин та людини. Ці гормони (їх ще називають брасиностероїдами) вже давно є предметом нашого наукового інтересу. Донедавна вони розглядалися переважно з погляду фізіології рослин як ключові сигнальні молекули рослинної клітини і перспективні засоби підвищення продуктивності для рослинництва. Наш науковий колектив супроводжувала удача у вирішенні найскладнішої проблеми, що стоїть на шляху впровадження, - забезпеченні широкої практичної доступності гормонів, природні джерела яких украй обмежені. Це дозволило нам не лише вперше створити агропрепарати на основі брасиностероїдів і розпочати їх виробництво, а й організувати широке вивчення дії цих рослинних гормонів за межами рослинного царства. Насамперед у людини, сільськогосподарських тварин та риб, які протягом усієї спільної еволюції з рослинами споживають, хоча і в невеликих кількостях, брасиностероїди у сacкладі рослинної їжі.

Як з’ясувалося, дія стероїдних гормонів рослин a тварин має велику схожість із їх дією в рослинах. Це стосується і ефективної дози, і профілю фізіологічної активності. Остання, як і висліджена на рослинах, характеризується вираженою стимулюючою та захисною дією, підвищенням пристосованості організму до несприятливих чинників та стресів, стійкості до патогенів, протидією розвиткові ряду патологічних станів. Зазначені властивості брасиностероїдів формують хорошу перспективу для створення на їх основі принципово нових засобів боротьби з хворобами та профілактики небезпечних захворювань. Саме в цьому напрямі ми активно працюємо в даний час.

Хоча у хронології досліджень гормонів рослин брасиностероїди характеризуються безпрецедентною «молодістю», ми можемо сьогодні з упевненістю говорити про їх виняткову значущість для сільськогосподарського виробництва і медицини. Фактично всі фундаментальні дослідження в галузі стероїдних гормонів рослин, що проводяться в нашому інституті, орієнтовані на створення наукових основ виробництва та застосування нових біораціональних агропрепаратів і лікарських засобів, що не мають аналогів. Вони добре зарекомендували себе як ефективні й екологічно безпечні засоби захисту та підвищення врожайності багатьох сільськогосподарських культур і затребувані в нашій країні та на міжнародному ринку.

Цікаво відзначити, що перший американський препарат цього типу був зареєстрований у США лише у 2011 році.

Сьогодні ми вже також можемо назвати перші брасиностероїдні препарати, створені в нашій лабораторії і призначені для використання за межами рослинного царства. Це, зокрема, харчова добавка з адаптогенною, імуностимулюючою і стрес-протекторною дією, що також сприяє швидкому відновленню організму після фізичних навантажень. У розробці перебувають препарати для поліпшення відтворення великої рогатої худоби та боротьби з хворобами птахів. Наші плани в галузі медичного використання результатів досліджень пов’язані із запланованими на найближчий час клінічними випробуваннями антихолестеринемічного брасиностероїдного препарату для лікування та профілактики серцево-судинних захворювань. На підставі наявних даних доклінічного дослідження ми вважаємо, що новий лікарський засіб здатний серйозно потіснити статини, які наразі є найпоширенішими препаратами зазначеного профілю. Сподіваюся, цей стислий огляд найважливіших аспектів роботи із впровадження результатів дозволяє скласти уявлення про практичну спрямованість наших досліджень та їх значення для суспільства.