Агропромышленные и биотехнологии

Сельское хозяйство — это ключевая отрасль мировой экономики, которая обеспечивает население едой. Россия богата землями, а это значит, что мы легко можем обеспечить себя продовольствием. Однако и проблем в сельском хозяйстве достаточно. С помощью новейших технологий исследователи находят ответы на множество насущных вопросов:

– Как вдохнуть жизнь в отработавшие и уставшие почвы?
– Как повысить урожайность любых ценных культур, а в самих культурах — содержание полезных и питательных веществ?
– Как защитить растения от болезней, вредителей, засухи и наводнений?
– Как сберечь урожай во время долгого зимнего хранения?
– Как выращивать продукцию на городских фермах?

Отвечая на вызовы, мы возлагаем большие надежды на новые технологии, в том числе для изучения процессов на клеточном и молекулярном уровне, беспилотный транспорт. Последние позволяют обрабатывать поля и собирать урожай автоматически, поливать растения выверенным количеством воды в зависимости от температуры, влажности и стадии роста растений, вносить оптимальное количество удобрений. Беспилотные летательные аппараты смогут удобрять почву и следить за полями. Умные информационные системы подскаж, какие культуры выгоднее выращивать в данном климате и почвах, а также подберут идеальное время посева и сбора урожая.

Продукция сельского хозяйства, прошедшая длинный путь промышленной обработки, попадает к нам на стол. Качество этой пищи — ключевой вопрос продовольственной безопасности. Поэтому необходимы простые диагностические системы и тесты, которые позволят быстро оценить качество продуктов питания. И это еще одно огромное поле для исследований и творчества. Например, участники конкурса могут исследовать параметры роста растений (скорость прохождения стадий, прирост массы, увеличение размера) и факторы, влияющие на него, а после предложить и в эксперименте опробовать условия, при которых томаты и огурцы максимально быстро растут и плодоносят дома, в помещении.

1. Маркер-ориентированная селекция растений на примере поиска ДНК-маркера устойчивости к черной пятнистости у садовых роз
2. Разработка набора реагентов для определения состава пищевых продуктов
3. Влияния качества световой энергии на ростовые процессы и экспрессию генов вторичных метаболитов растений, произрастающих в условиях повышенной инсоляции на федеральной территории Сириус
4. Видовое определение водных биологических ресурсов методом секвенирования фрагмента гена цитохромоксидазы I
5. Анализ почвенных бактерий федеральной территории Сириус, благоприятно влияющих на рост растений

Описание проектов
(проекты могут быть изменены и дополнены)

1. Маркер-ориентированная селекция растений на примере поиска ДНК-маркера устойчивости к черной пятнистости у садовых роз

Руководители проекта: Зыкова В.К., Хайленко Е.В.

Аннотация: Садовые розы – наиболее популярные в мире цветочные растения, как для озеленения, так и для выращивания в оранжереях на срез цветов. Известно, что предпочтения потребителей меняются, поэтому остаётся актуальным создание новых конкурентоспособных сортов, ценность которых непосредственно связана с высокой устойчивостью к стрессовым факторам биогенной и абиогенной природы.

В этой работе молекулярные инструменты могут не только повысить точность и скорость процесса отбора, но и снизить стоимость и труд, связанный с регистрацией сложных фенотипических признаков. Одним из самых вредоносных заболеваний у садовых роз, широко распространенным в условиях влажных субтропиков федеральной территории Сириус, является черная пятнистость (возбудитель – гриб Diplocarpon rosae F.A. Wolf.). В связи с этим, цель настоящего проекта заключается в разработке и идентификации молекулярных маркеров, ассоциированных с  устойчивостью к черной пятнистости, а также определении генотипов для проведения маркер-опосредованной селекции.

В рамках проекта будут рассмотрены признаки поражения черной пятнистостью у садовых роз, проведена оценка распространенности и интенсивности болезни в ботаническом саду «Сириуса» и рассмотрена связь между этими показателями и морфологическими особенностями сортов. Используя данные полногеномных секвенирований, имеющиеся в открытом доступе базы NCBI, участники проекта смогут научиться разрабатывать дизайн праймеров, углубят свои познания о структурной и функциональной организации нуклеиновых кислот, освоят ряд молекулярно-генетических и биоинформационных методов. Предложенный проект представляет собой комплексную работу, расширяющую кругозор в области современных методов селекции растений, изучения генетических ресурсов, исследования их на организменном, тканевом и молекулярно-генетических уровнях.

Партнеры проекта: Никитский ботанический сад – Национальный научный центр РАН

2. Разработка набора реагентов для определения состава пищевых продуктов

Руководитель проекта: Середина Т.А.

Аннотация: Участники проекта разработают системы для ПЦР и проверят их работу на контрольных образцах ДНК животных. Будет разработана система для выделения ДНК из образцов продуктов питания. ПЦР системы и система для выделения ДНК будут интегрированы в одноразовый картридж, совместимый с автоматическим анализатором, который разрабатывается на базе резидента ИНТЦ «Сириус» ООО «Биодайв». Для сборки картриджа будет задействована производственная линия ООО «Биодайв». Будет проверена работоспособность созданного картриджа, установлены его аналитические характеристики. Далее будут проведены испытания на массиве образов пищевых продуктов.

Партнер проекта: ООО «Биодайв»

3. Влияния качества световой энергии на ростовые процессы и экспрессию генов вторичных метаболитов растений, произрастающих в условиях повышенной инсоляции на федеральной территории Сириус

Руководитель проекта: Смирнова Н.В.

Аннотация: Свет это источник энергии для фотосинтеза и мощный фактор эндогенной регуляции процессов роста и развития растения. Ответные реакции растений на качество получаемой энергии света зависят от длины его волны, интенсивности и направленности светового потока, а также продолжительности и периодичности освещения. В основе фототропизма лежит способность растения оценивать направление светового потока и изгибаться в направлении источника света. Кроме этого, рост и развитие растений контролируется генотипом, продуктами экспрессии генов и сигналами из внешней среды, в первую очередь, световых сигналов, которые оказывают сильное стимулирующее действие на морфогенез растений. При освещении инициируется экспрессия генов, активность которых в темноте подавлена специальными белками, являющимися ингибиторами процессов фотоморфогенеза. Соответственно, понимая механизмы светового управления морфогенезом растений и контролируя ростовые процессы, посредством создания оптимальных условий роста и питания, можно управлять степенью раскрытия генетического потенциала растений, а следовательно, повысить продукционный процесс выращиваемых растений и эффективность использования ими солнечной энергии.

Целью проекта является изучение механизмов регулирования фотосинтетической активности и ростовых процессов растений посредством светового управления морфогенезом. 

Проект будет реализован в лаборатории «Сириуса». Для ускорения процесса выращивания растений на программу будут предоставлены гидропонные установки и ПАК, который позволит по заданной программе изменять интенсивность, спектральный состав и длительность светового потока. В смоделированных условиях участники проведут ряд вегетационных экспериментов по выращиванию растений в трех независимых камерах с целью установления причинно-следственных связей между светом и онтогенезом: выявят динамику изменения морфометрических показателей растений, фотосинтетической активности и пигментного состава, выработку вторичные метаболитов – фитогормонов, которые не только регулируют рост и развитие клетки, но и являются надклеточными механизмами регуляции (фитогормоны могут понижать экспрессию гена или наоборот активировать ее).

Кроме этого, планируется отобрать растительные образцы 2-3 культур с территории «Сириуса» и поместив их в камеры с различными спектрами оценить влияние качества света на выработку фитогормонов и экспрессию генов до и в течении укоренения, т.е.  смоделировать +/- природные ситуации, которые могут происходить в будущем.

Партнеры проекта: Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения РАН, АО «Объединенная химическая компания «Уралхим»

4. Видовое определение водных биологических ресурсов методом секвенирования фрагмента гена цитохромоксидазы I

Руководители проекта: Мюге Н.С., Сошнина В.А., Щербакова В.Д., Кривошеев Д.М.

Аннотация: В нашем проекте предполагается как полевая работа, так и лабораторная. Для сбора объектов исследований планируется выход как к водоемам на федеральной территории Сириус, так и возможен выезд на форелевое хозяйство «Адлер». Мы предполагаем возможность дополнительного поиска объектов, например, на рыбных рынках и, в том числе, выявление правильности наименования ценников с 
принадлежащими им объектами.

В лабораторной части школьники научатся выделять ДНК из различных структур, оценивать ее качество, амплифицировать фрагменты ДНК и считывать полученные последовательности путем секвенирования. В лабораторной работе будет использован пакет современных генетических программ для обработки полученных данных.

Партнеры проекта: Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии, ООО «Генотек»

5. Анализ почвенных бактерий федеральной территории Сириус, благоприятно влияющих на рост растений

Руководители проекта: Каххарова З.И., Вохтанецев И.П.

Аннотация: Почвенные бактерии, способные фиксировать атмосферный азот, солюбилизировать фосфаты, синтезировать сидерофоры и различные вещества, стимулирующие рост растений, играют важную роль в природе и агроэкосистемах. Видовой состав этих бактерий в почвах Краснодарского края, в частности на федеральной территории «Сириус», изучен недостаточно. Проект направлен на изучение эффекта совместного внесения неорганических удобрений и бактерий, стимулирующих рост растений. Результаты реализации проекта помогут разработать основу биологически активных препаратов, имеющих важное значение для сельского хозяйства, в том числе могут быть использованы для улучшения роста растений в привозном грунте Имеретинской низменности.

Партнеры проекта: АО «Объединенная химическая компания «Уралхим», Институт химической биологии и фундаментальной медицины Сибирского отделения Российской академии наук, НТУ «Сириус»