Augalų fiziologijos

Nuotraukoje: A. Salytė, V. Denisov, R. Nekrošienė, S. Valašinaitė, A. Šimkūnas, D. Švitra. Nuotrauka V. Denisovo

Augalų fiziologijos laboratorija

Apie laboratoriją. Pagrindinė tyrimų kryptis – fiziologiniai augalų augimo ir vystymosi adaptacijos reakcijų mechanizmai stresinėse sąlygose. Eksperimentiniai tyrimai atliekami organizmo, ląstelių-audinių ir subląstelinių struktūrų lygmenyse, o teoriniuose tyrimuose taikomi sistemų analizės, netiesinės dinamikos analizės ir matematinio modeliavimo metodai.

sumestinis20lt

Laboratorijos ištakos – augalų streso tyrimai su filogenetiškai artimais, bet skirtingo atsparumo modeliniais miglinių šeimos augalais. Vienas iš tirtų augalų – Festuca pratensis yra strestolerantiškas, o kiti – Lolium multiflorum, Lolium perenne,Festulolium braunii – mažiau strestolerantiški.

Šių tyrimų mokslinis pagrindas yra išimtinai strestolerantams būdingi reiškiniai – žemose teigiamose temperatūrose aptikti kooperatyvūs augimo sulėtėjimai (pirmiausiai ūglių, o žemesnėse teigiamose artimose 0°C temperatūrose – ir šaknų), kas rodo augalų perėjimą į naujas adaptacines būsenas (Šimkūnas 2004; Šimkūnas ir kt. 2011). Toliau analizuojant, žemesnėse teigiamose artimose 0°C temperatūrose nustatytas kooperatyvus šaknų meristeminio augimo sulėtėjimas, iš to sekantis žymus šaknų tįsimo zonos sutrumpėjimas ir kiti adaptaciniai reiškiniai. Verta paminėti, kad žeminant temperatūrą artimam 0°C diapazone, išimtinai strestolerantuose aptiktas ir nereguliarus trumpesnių suapvalėjusių ląstelių reiškinys (Šimkūnas ir kt. 2002; Šimkūnas ir kt. 2007).

Tolimesnei ekofiziologinių tyrimų plėtrai užtikrinti 2011 metais KU Gamtos ir matematikos mokslų fakultete buvo įkurta Augalų fiziologijos laboratorija. Tyrimai atliekami organizmo, audinių-ląstelių ir subląstelinių struktūrų lygmenyse. Plėtojama ekofiziologinė kryptis ypač svarbi Lietuvos pajūrio regionui, kuriame intensyviai pasireiškia įvairūs augalų augimą limituojantys aplinkos veiksniai, tokie kaip mažas dirvožemio pH, hidrologinis stresorius (kopos) bei žemos temperatūros ir jų svyravimai žiemojimo laikotarpiu.

Laboratorija sprendžia ekofiziologijos problemas, integruodama augalų fiziologijos, citologijos, biofizikos, matematikos, informatikos, sistemotyros, ekologijos mokslų idėjas ir metodus. Kadangi vykdomi tyrimai yra tarpdalykiniai, laboratorija stiprina bendradarbiavimą su atitinkamomis KU GMMF katedromis ir Botanikos sodu. Šių padalinių kolegos yra asocijuoti laboratorijos bendradarbiai ir kartu dalyvauja tyrimų krypčių įgyvendinime, publikacijų rengime, projektinėje veikloje.

Pagrindinė laboratorijos tyrimų kryptis – strestolerantiškų augalų fiziologiniai augimo ir vystymosi adaptacijos reakcijų mechanizmai, veikiant žemų temperatūrų stresoriui.

Tyrimų programa (2013-2023 m.), kurios svarbiausi uždaviniai yra šie:

  • išmatuoti ir išskirti kooperatyvų ūglių augimo sulėtėjimą lemiančias morfofiziologines charakteristikas, jiems pereinant į adaptacinę būseną;
  • išmatuoti ir išskirti šaknų meristeminį augimo sulėtėjimą lemiančias citologines komponentes, pereinant į adaptacinę būseną;
  • tirti šaknų meristemų subbranduolinių struktūrų (branduolėlių ir kt.) morfologines charakteristikas, sietinas su ląstelės ciklo atspariomis fazėmis, pereinant į adaptacinę būseną; tirti lapų determinuotų meristemų citologines augimo charakteristikas ir subbranduolines struktūras, veikiant stresoriui;
  • tirti šaknų tįstamojo augimo charakteristikas ir jų priklausomybę nuo temperatūros;
  • sukurti patikimą funkcinių žymenų sistemą, leidžiančią diagnozuoti adaptacines būsenas;
  • analizuoti augalų augimo ir streso fenomenus sisteminiu požiūriu ląstelių-audinių lygmenyje (ryšiai tarp meristemos ir tįstamo zonos) bei augalo lygmenyje (ryšiai tarp organų);
  • sukurti strestolerantiško augalo meristemų funkcionalinį modelį, įgalinantį kokybiškai ir kiekybiškai aprašyti bei prognozuoti adaptacines būsenas;
  • kurti ir taikyti streso bandymuose aptiktų dinaminių fenomenų matematinius kompiuterinius modelius;
  • išskirti skirtingų ekologinių-fitocenotinių strategijų ar ekologinių grupių augalų morfofiziologinius ir citologinius augimo bruožus.

1-medziagos-auginimasEksperimentinės medžiagos užauginimas. Siekiant augalus auginti griežtai kontroliuojamomis, fizikiniam eksperimentui artimomis sąlygomis, laboratorijoje naudojama unikali klimatinė-hidroponinė įranga. Joje sukuriami skirtingi temperatūros režimai, leidžiantys atlikti stresoriaus poveikio tyrimus. Tikslūs sistemos aplinkos rodikliai (naudotini kaip valdantys parametrai) ir galimybė nustatyti šaknų dinamines charakteristikas sudaro sąlygas fiziologinių procesų modeliavimui. Įrangos tinkamumas tyrinėti tiek antžeminę dalį, tiek ir šaknis leidžia vykdyti sisteminius tyrimus augalo lygmenyje.

Struktūrų vizualizavimo technologijos. Siekiant vizualizuoti audinius, ląsteles ir subbranduolines struktūras, naudojama mikrotominių preparatų gaminimo ir histocheminio dažymo technologijos ir atitinkama įranga.

3-matavimaiCitologiniai matavimai ir analizė. Citologinė analizė atliekama naudojant šviesinį mikroskopą su kompiuterine vaizdų vizualizavimo sistema.

Dr. Alvydas Šimkūnas, vyresn. m. d. El. paštas alvydas.simkunas@gmail.com Mokslinių interesų sritys: augalų augimo-streso fiziologija ir biofizika.

Sandra Valašinaitė, jaun. m. d. El. paštas svalasinaite@gmail.com Mokslinių interesų sritys: augalų augimo-streso fiziologija; augalų ekologinės-fitocenotinės strategijos.

Asocijuoti bendradarbiai:

Prof. habil. dr. Donatas Švitra; Mokslinių interesų sritys: fiziologinių sistemų matematinis modeliavimas.

Prof. dr. Vitalijus Denisovas (KU JTGMF Informatikos ir statistikos katedros vedėjas); Mokslinių interesų sritys: sistemų analizė; augalų augimo, vystymosi ir agroekosistemų kompiuterinis imitacinis modeliavimas.

Doc. dr. Rita Nekrošienė (KU Botanikos sodo vyresn. m. d.); El. paštas rita_nekrosiene@mail.ru Mokslinių interesų sritys: pievų fitocenozių tyrimai, Lietuvos pajūrio regione introdukuotų augalų ekologija.

Lekt. Airina Salytė (KU JTGMF Gamtos mokslų katedra) Mokslinių interesų sritys: augalų struktūrinė biologija.

Biudžetinė tema: „Žolinių augalų augimo adaptacijos stresui modeliavimas ir raidos dėsningumų praktinis taikymas“. Vykdymo laikotarpis: 2010 – 2014 m.

Lietuvos valstybinio mokslo ir studijų fondo remiamas mokslininkų grupės projektas „Miglinių augalų antžeminės dalies ir šaknų augimo stresinės adaptacijos modelio kūrimas“. Vadovas – dr. A. Šimkūnas. 6 vykdytojai. Vykdymo laikotarpis – 2009 m.

Dėstymas: Biologijos studijų programoje dėstomi Augalų fiziologijos ir Biofizikos kursai. Studentų rengimas: studentai atlieka augalų augimo ir streso tematikos eksperimentus, ruošia kursinius ir bakalauro baigiamuosius darbus. Seminarų organizavimas:
  • Prof. V. B. Ivanov (Rusijos MA Augalų fiziologijos instituto). 50 years from the discovery of cell cycle. KU, 2005.
  • Prof. V. B. Ivanov. The problem of stem cells in plants. KU, 2005.
  • Prof. V. B. Ivanov. Root growth responses to chemicals. KU, 2005.
  • Prof. M. S. Venslauskas (VDU). Membranos potencialas, jo kilmė ir sklidimas. KU, 2006.
  • Kasmetinis demonstracinių seminarų organizavimas KU biologijos specialybės studentams Vilniaus Universitete:
  • Dr. S. Gražulis (VU, Biotermodinamikos ir vaistų tyrimų laboratorija). Baltymų struktūros bruožai. Rentgenostruktūrinė kristalografija.
  • Dr. D. Matulis (VU, Biotermodinamikos ir vaistų tyrimų laboratorija). Baltymų ir ligandų sąveikos įvertinimo metodai.
  • KU Biologijos specialybės studentų viešnagė VU Biotermodinamikos ir vaistų tyrimų laboratorijoje.

Partneriai:

  • Rusijos MA Augalų fiziologijos instituto Šaknų fiziologijos laboratorija (citologiniai augimo tyrimai).
  • KU Botanikos sodas (augalų vystymosi ir streso tyrimai lauko sąlygomis).
  • KU JTGMF Gamtos mokslų katedra (morfofiziologiniai, citologiniai matavimai).
  • KU JTGMF Informatikos ir statistikos katedra (sisteminiai tyrimai, kompiuterinis modeliavimas, streso reiškinių matematinis modeliavimas).

Kvalifikacijos kėlimas, mokslinės stažuotės:

Rusijos MA Augalų fiziologijos instituto šaknų fiziologijos laboratorijoje (Maskva). Citologinės augimo analizės ir streso veiksnių poveikio augalams metodų įsisavinimas. 2008.06.09-18 Dalyvavo dr. A. Šimkūnas, doc. dr. R. Jankauskienė, A. Salytė (Remta LMA).

Rusijos MA Augalų fiziologijos instituto šaknų fiziologijos laboratorijoje (Maskva). Citologinių ir histocheminių metodų augalų fiziologijoje įsisavinimas. 2013.01.26-02.01 Dalyvavo dr. A. Šimkūnas ir S. Valašinaitė.

Straipsniai išspausdinti ISI Web of Science duomenų bazėje referuojamuose ir turinčiuose citavimo indeksą leidiniuose

A. Šimkūnas, S. Valašinaitė, D. Švitra. Temperature-dependent growth adaptation of Festuca pratensis from the biophysical viewpoint. // Wiley-Blackwell, 2011, Journal of Agronomy and Crop Science. Vol. 197. No.5. P. 361–367.

S. Valašinaitė, A. Šimkūnas, V. Denisov. Leaf size regularities in Festuca pratensis from the systemic viewpoint. // Taylor & Francis, 2013, Plant Biosystems. Vol. 147, P. 629-637.

A. Šimkūnas, S. Valašinaitė, V. Denisov, A. Salyte. Systemic view on heading and overwintering: are they always opposed? // Wiley-Blackwell, 2013, Journal of Agronomy and Crop Science. Vol. 199. P. 460–465.

Straipsniai išspausdinti kituose ISI duomenų bazėje referuojamuose leidiniuose (Proceedings ir kt.)

S. Valašinaitė, A. Šimkūnas. Size regularities of Festuca, Lolium, and ×Festulolium leaves, as determinate organs. Botanika Lithuanica. 2008 No 2. P. 99 – 104.

A. Šimkūnas, G. Šiaudinis, K. Mikalauskas, S. Valašinaitė. Refined method of photosynthetic potential calculation. Botanica Lithuanica. 2008 No 2. P. 95 – 98.

A. Šimkūnas, S. Valašinaitė, I. Pašakinskienė. Root growth characteristics of Festuca, Lolium and Festulolium in relation to stress tolerance. Biologija. 2007 Vol. 18. No. 1. P. 64 – 68.

Straipsniai išspausdinti Lietuvos recenzuojamuose moksliniuose periodiniuose ir vienkartiniuose leidiniuose

A. Šimkūnas, S. Valašinaitė, V. Mažeika. Peculiarities of development and overwintering of various Festulolium braunii cultivars. Vagos. 2009. 85 (38). P. 35-38.

A. Šimkūnas, S. Valašinaitė, M. Ščavinskas. Apie netiesinius aspektus biologinėse ir istorinėse-socialinėse sistemose. Tiltai. 2009. T. 49. N. 4. P. 237-242.

Spausdinta tarptautinių mokslinių konferencijų pranešimų medžiaga

A. Šimkūnas, S. Valašinaitė, K. Mikalauskas. “About the States of Plan Systems from the Biophysical Viewpoint”. Tarptautinė virtuali mokslinė konferencija “Cовременные направления теоретических и прикладных исследований ‘2009“. Ukraina, 2009. T. 27, C. 20-22.

A. Šimkūnas, M. Ščavinskas, S. Valašinaitė, D. Weston. About nonlinear system aspects in biology and history. Tarptautinė mokslinė konferencija „Crisis: catalyst for creativity and innovation“. LCC tarptautinis universitetas, Lietuva, 2009 m. kovo mėn. 27-28 d. P. 21.

A. Шимкунас, Г. Гаврилова „Реакция адаптaции корневыx систем Lolium, Festuca и Festulolium, воздействуя на ниx температурами закаливания” Материалы мездународной научной конференций. 2005. Том 1. C. 81-85.

Spausdinta respublininių mokslinių konferencijų medžiaga

A. Šimkūnas, I. Pašakinskienė. Svidrių, eraičinų ir eraičinsvidrių šaknų sistemos reakcija į grūdinimo temperatūras. Naujausi agronomijos tyrimų rezultatai. Konferencijos pranešimai. 2005. Nr. 37

Daktaro disertacija

A. Šimkūnas. Effects of hardening temperatures on root systems of Lolium L., Festuca L. and Festulolium Asch. et Graebn. Summary of doctoral dissertation. 2004, Dotnuva-Akademija. Vadovas – habil. dr. I. Pašakinskienė.

The Laboratory of Plant Physiology

The main research area is various physiological mechanisms of plant growth and development adaptation responses under the effect of environmental stressors. Experimental investigations are performed on the levels of organism, tissue-cell and subcellular structures; theoretical studies are carried out by the methods of systems analysis, nonlinear dynamic analysis and mathematical modeling. Accordion Sample Description.

sumestinis20en

The studies were launched by the inquiry into the responses to environmental stressors of phylogenetically close but of different cold resistance model Poaceae plants. One of them, Festuca pratensis, is stresstolerant plant; other three, Lolium multiflorum, Lolium perenne, and Festulolium braunii, are less strestolerant.

Our scientific basis is the unique phenomenon – at the low positive temperatures observed cooperative growth slowdowns (at first, of shoots; then, at the lower positive temperatures near zero – of roots as well), which expresses exclusively in the stresstolerant plants. These changes indicate the transition of plants to qualitatively new state of adaptation (Šimkūnas 2004, Šimkūnas et al. 2011). At the lower positive temperatures near zero, the cooperative slowdown of roots' meristem growth was observed and, as a result of this slowdown, significant shortening of the root elongation zone and other adaptive effects occured. It is also worth mentioning that at the temperatures close to zero, the phenomenon of irregular cell brevity and roundness was detected only in stresstolerant plant (Šimkūnas et al. 2002; Šimkūnas et al. 2007).

In 2011, for the sake of further development of the mentioned inquires, the Laboratory of Plant Physiology was founded in Klaipėda University, Faculty of Natural Sciences and Mathematics. Studies are carried out on the investigation levels of the organism, the tissue-cells and subcellular structures. Ecophysiological researches are especially relevant to the coastal region of Lithuania abounding with environmental growth limiting stress factors such as hydrological stressors, low temperatures and high amplitude temperature fluctuations in wintering period, acid soils.

The laboratory solves problems of ecophysiology integrating the ideas and methods of plant physiology, cytology, biophysics, mathematics, computer sciences, systems theory, and ecology. Since the studies are interdisciplinary, the lab develops cooperation with the departments of Klaipeda University Faculty of Natural Sciences and Mathematics and with Botanical Garden. The members of these units are associated laboratory co-workers involved in various research stages as well as in preparation of publications and projects.

The main direction of laboratory research is to investigate the various physiological mechanisms of stresstolerant plant growth and development adaptative responses under the effect of low temperature stressor.

 

Research Program for 2013 - 2023 years. Its most important tasks are following:

  • to identify and measure the morphophysiological characteristics causing cooperative shoots' growth slowdown after plants' transition to adaptive state;
  • to identify and measure the cytological component(s) causing the roots' meristem growth slowdown after plants' transition to the adaptive state;
  • to investigate the morphological characteristics of roots' meristem sub-nuclear structures (nucleolus and others) associated with the resistant phases of the cell cycle after plants' transition to the adaptive state;
  • to investigate the characteristics of cytological growth and sub-nuclear structures in leaf determined meristem under the influence of stressor;
  • to create a reliable functional markers system for the plants' adaptive states diagnosis;
  • to apply systemic approach to the analysis of plants' growth and development phenomena under the influence of stressors;
  • to create the functional model of stresstolerant plant meristems' for the qualitative and quantitative description and prediction of plants' adaptation states;
  • to create and develop the mathematical computer models of dynamic phenomena detected during the stress experiments.
  • to single out the morphophysiological and cytological growth characteristics of different plant ecological strategies and groups.

Research methodology and the technical capabilities of laboratory:

1-medziagos-auginimasThe cultivation of experimental material. In the lab, the plants are being grown in strictly controlled, close to physical experiment conditions using for this purpose the unique climatic-hydroponic equipment by means of which various temperature regimes are being created. This enables to investigate the effects of temperature stressor. Precise environmental indices (taken as governing parameters) together with the possibility of determining the dynamic characteristics of the roots' growth enables for the modeling of physiological processes. The laboratory equipment enables systemic studies on plant level; for it allows experimenting with its overground as well as underground parts.

2-vizualizavimasStructure visualization technologies. In order to visualize tissues, cells and sub-nuclear structures the microtomic preparations, histochemical staining technologies and corresponding equipment are employed.

3-matavimaiCytological measurements and analysis. Cytological analysis is carried out using a light microscope with a computer visualization system.

Full-time employees:

Dr. Alvydas Šimkūnas, Senior researcher, the head of laboratory.

E-mail: alvydas.simkunas@gmail.com

Scientific interests: plant growth-stress physiology and biophysics.

Sandra Valašinaitė, Research assistant

E-mail: svalasinaite@gmail.com

Scientific interests: plant growth-stress physiology; plant ecological strategies.

Associated collaborators:

prof. habil. dr. Donatas Švitra (KU FNSM, the head of department of Mathematics);

Scientific interests: mathematical modeling of physiological systems.

dr. Vitalijus Denisovas (KU FNSM, the dean of FNSM, the head of department of computer sciences);

Scientific interests: systemic analysis, simulation modeling of crop growth and development.

prof. dr. Rita Nekrošienė (KU Botanical garden, Senior researcher).

E-mail: rita_nekrosiene@mail.ru

Scientific interests: investigations of meadow ecosystems; ecology of plants, introduced in coastal region of Lithuania.

Airina Salytė (KU FNSM Biological department)

Scientific interests: structural plant biology.

Budgetary project: "The Modeling of Poaceae plants' Growth Adaptation to the Environmental Stressors and Practical Application of Discovered Consistent Patterns". Pursuit period: 2010 - 2014.

Research project supported by the Lithuanian State Science and Studies Foundation: “Modeling of stress adaptation for over-ground part and roots of Poaceae plants in the aspect of growth”. Project leader – dr. A. Šimkūnas. Six participants. Pursuit period – 2009.

  • Teaching: The courses of Plant physiology and Biophysics taught according to the Program of Biological Studies.

  • Students' work: Students experiment on plants' growth and stress tolerance, write term papers and undergraduate theses.

  • Seminars for Klaipėda University research community and students:

Prof. V. B. Ivanov (Russian Academy of Sciences, Timiryazev Institute of Plant Physiology). 50 years from the discovery of cell cycle. KU 2005.

Prof. V. B. Ivanov. The problem of stem cells in plants. KU, 2005.

Prof. V. B. Ivanov. Root growth responses to chemicals. KU, 2005.

Prof. M. S. Venslauskas (Vytautas Magnus University). Membrane potential, its origin and movement. KU, 2006.

  • The organization of the annual demonstrative seminars for KU biology students at Vilnius University:

Dr. S. Gražulis (VU, Biothermodynamics and Drug Research Laboratory). Features of Protein structure, X-ray crystallography.

Dr. D. Matulis (VU, Biothermodynamics and Drug Research Laboratory). Evaluation methods of Protein and ligand interaction.

Partners

  • Laboratory of Roots' Physiology, Timiryazev Institute of Plant Physiology of Russian Academy of
  • Science (cytological growth studies).
  • Botanical Garden of KU (plants development and stress investigations in field conditions).
  • Department of Biology, KU, FNSM (morphophysiological and cytological measurements).
  • Department of Computer Science, KU, FNSM (systemic researches and computer modeling).
  • Department of Mathematics, KU, FNSM (mathematical modeling of stress phenomena).

In-service training, research internship: Laboratory of Roots' Physiology, Timiryazev Institute of Plant Physiology, Russian Academy of Sciences (Moscow). Application of methods of cytological growth analysis and stress factors impact for plants. 2008.06.09-18 Participants: dr. A. Šimkūnas, Assoc. prof. dr. R. Jankauskienė, A. Salytė (Supported by Lithuanian Academy of Sciences).

Laboratory of Roots' Physiology, Timiryazev Institute of Plant Physiology, Russian Academy of Sciences (Moscow). Application of cytological and histochemical methods in plants physiology. 2013.01.26-02.01 Participants: dr. A. Šimkūnas and S. Valašinaitė.