Молекулярна физиология на стреса

Отделът се фокусира върху анализа на физиологичните и метаболитните реакции на културните растения при абиотичен стрес и как придобитите знания от тези изследвания могат да бъдат използвани за повишаване на толерантността на растенията към стресови условия. Приложните подходи (от моделни видове към култури, от една култура към друга) ще бъдат основа за изследванията, провеждани от групата.

Една от изследователските линии, които отделът следва, е идентифицирането и характеризирането на гени, участващи в модулирането на отговорите към оксидативния стрес и програмируемата клетъчна смърт, индуцирана от реактивни кислородни видове (ROS). Наскоро екип, ръководен от проф. д-р Цанко Гечев, идентифицира нов ген, специфичен за растенията, който регулира толерантността към оксидативен и абиотичен стрес (Sujeeth et al. 2021). Тъй като този ген има хомолози в основни култури, откритието може да окаже влияние върху управлението на толерантността към стрес при културните растения и да увеличи тяхната продуктивност при неблагоприятни условия на околната среда.

Друго направление на изследване, разглеждано в отдела, е процесът, известен като молекулярно примиране: естествени продукти и синтетични химикали, които могат да защитават моделни и културни растения срещу абиотичен и оксидативен стрес чрез индуциране на молекулярни и физиологични защитни механизми (Kerchev et al. 2020). Освен защитния си ефект срещу стрес, някои от тези съединения могат също да стимулират растежа на растенията. Използвайки множество “-омика” подходи, включително RNA-seq анализ, GC-MS и LC-MS метаболомика и липидомика, екипът на д-р Гечев е идентифицирал гени, метаболити и биохимични пътища с потенциална роля в молекулярното примиране, индуцирано от биостимулант, и се стреми да валидира функционално някои от тези гени (Rasul et al. 2021; Staykov et al. 2021; Omidbakhshfard et al. 2020).

Фиг. 1. Принцип на активиране на растителната защита чрез примиране. Обработката с примиращи агенти (вляво) предизвиква ендогенни защитни механизми на растенията (в средата), водещи до последваща толерантност към стрес при примирани растения. Агрохимикалите обикновено се прилагат като унифициран спрей разтвор (широко приложение), което лесно може да доведе до химически отпадъци, излишни остатъци и увреждане на растителността. За разлика от това, насоченото приложение е насочено към индивидуални растения. Технологичният напредък, като компютърно зрение и машинно обучение, прави насоченото приложение по-ефективно от всякога. Специфичното пръскане на отделни растения позволява намаляване на дозата, което може да елиминира до 90% от използваните химикали и да смекчи въздействието им върху околната среда. Друга вълнуваща технология, която скоро ще бъде достъпна за земеделците, комбинира агрохимикали с нанотела като формулиращи агенти, които специфично таргетират листата или вредителите, подобрявайки задържането и намалявайки количеството на химикалите, попадащи в околната среда.

Третото изследователско направление на екипа на проф. д-р Гечев е върху вида Haberlea rhodopensis, известен като „възкръсващо растение“. Това растение е устойчиво не само на изсушаване, но и на други стресови фактори на околната среда, като продължителна тъмнина и ниски температури. Екипът изучава молекулярните механизми на толерантност към тези абиотични стресове, използвайки технологии „-омика“, като транскриптомика, метаболомика и анализ на липидома (Durgud et al. 2018).