Изучение генетической организации генома растенийНИР

The study of the genetic organization of the plant genome

Источник финансирования НИР

госбюджет, раздел 0110 (для тем по госзаданию)

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 января 2016 г.-31 декабря 2016 г. Изучение генетической организации генома растений
Результаты этапа: Проведен сбор образцов органов и тканей модельного объекта генетики растений Arabidopsis thaliana (L.) Heynh на различных стадиях развития растения в одно время светового дня для исключения влияния фотопериода. Образцы были документированы с помощью средств электронной и световой микроскопии. В результате эксперимента создана транскриптомная карта арабидопсис, содержащая информацию об уровнях экспрессии в различных тканях и органах. При исследовании мутантов tae Arabidopsis thaliana показано участие двух полимерных генов tae и p в появлении мутантного фенотипа. В рамках исследования генетического контроля поляризации листа у крестовника создана библиотека кДНК из листьев Senecio articulatus, получены первые амплифицированные фрагменты кДНК. В результате исследования генетического контроля устойчивости к низким температурам была впервые выявлена важная роль генов RpoTp и RpoTmp в регуляции холодостойкости растений. Проведено исследование влияние размера генома на размер апикальной меристемы у бобовых. Продолжено изучение гена FAS гороха, мутация в котором определяет фасциацию. Высказано предположение о том, что этот ген представляет собой ортолог гена CLAVATA3 (CLV3) Arabidopsis thaliana. Исследована связь размеров флоральной меристемы с размерами апикальной меристемы у нескольких видов бобовых (горох посевной, мышиный горошек Vicia cracca, люпин многолистный Lupinus polyphyllus) и представителей других семейств средней полосы России. Завершена работа по изучению характера наследования признака детерминантного типа роста, определяемого мутацией determinate habit.
2 1 января 2017 г.-31 декабря 2017 г. Изучение генетической организации генома растений
Результаты этапа: Исследованы молекулярные основы выявленной нами ранее связи между функцией ДНК-топоизомеразы TOP1α и временем зацветания растений арабидопсис (Arabidopsis thaliana). Установлено, что мутация fas5 в гене TOP1α приводит к конститутивному ответу на затенение, сопровождающемуся поднятием вверх листьев розетки, удлинением черешка листьев, более светлой окраской листьев, связанной со снижением содержания хлорофилла и каротиноидов, а также ранним выметыванием цветоноса. Конститутивный ответ на затенение показан нами и для других аллелей TOP1α (mgo1-7, top1ɑ-1, top1ɑ-2). Активация всех основных генов, контролирующих ответ на затенение в мутантных растениях fas5, подтверждена путем анализа транскриптома методом RNAseq. Выявлена также репрессия многих генов, контролирующих развитие флоральной меристемы и морфогенез органов цветка. Проведенные исследования существенно расширили представления о функции TOP1α в развитии растений и показывали, что помимо поддержания стволовых клеток TOP1α играет важную новую роль в регуляции адаптивной реакции растений на свет.Подтверждена гипотеза о дигенности мутанта tae A.thaliana и созданы пулы ДНК для картирования обоих полимерных генов. Проведены детальные исследования морфогенеза листа мутанта tae. С использованием методов сканирующей микроскопии, анатомо-гистологических исследований выявлены локальные нарушения образовательной функции маргинальной меристемы. Обнаружено также рассогласование роста разных сторон листовой пластинки, что, может объяснить уникальное для мутанта tae формирование вторичного края вдоль первичного на адаксиальной стороне развивающейся полупластинки. Проведен сбор материала для изучения дифференциальной экспрессии паралогичных генов тетраплоида Capsella bursa-pastoris (пастушья сумка). Для выбора наиболее различающихся по транскриптомному профилю образцов C. bursa-pastoris был проведен анализ транскрипционной карты Arabidopsis thaliana (Klepikova et al., 2016). Образцы были кластеризованы с помощью иерархической кластеризации, и в получившемся дереве были выделены группы, объединяющие такие органы и части растения, как меристемы на разных стадиях, различные части корней, семена разных стадий развития, и т.д. В 2017 г. был изучен полиморфизм отечественных и зарубежных сортов гороха разных направлений использования и периодов селекции по морфологическим признакам и ДНК-маркерам III группы сцепления. Установлено, что наибольшее фенотипическое и генотипическое разнообразие среди отечественных сортов присуще зерновым. По сравнению со стародавними сортами наблюдается выход уровня генетического разнообразия на плато, но не снижение. С помощью ДНК-маркеров на основе ПЦР уточнено положение на V группе сцепления гороха гена FASCIATA 2 (FA2), который является регулятором размеров апикальной меристемы побега. Мутантный аллель в гомозиготе приводит к фасциации. Также охарактеризован фенотип мутантов по сравнению с исходным сортом. Изучен морфогенез цветка у некоторых Бобовых, которые, как и фасциированные мутанты, характеризуются полимерным гинецеем. Подобное состояние достигается или удлинением времени пролиферации меристемы цветка (Thermopsis turcica), или увеличением размеров меристемы цветка в сочетании с утратой зигоморфии (Cordyla pinnata). Также при изучении изменчивости цветков нескольких видов бобовых показано, что чем более выражена зигоморфия цветков, тем стабильнее строение цветка.
3 1 января 2018 г.-31 декабря 2018 г. Изучение генетической организации генома растений
Результаты этапа: 1. Растения Capsella bursa-pastoris выращивались на смеси 2 части земли – 1 часть вермикулит, при освещенности 12000 люкс, температуре 22 С и влажности 55-60%. Скрещивания проводились с кастрацией материнских цветков до открытия пыльников с визуальным контролем под бинокуляром. Проведено получение гибридов первого поколения от скрещивания растений европейской расы и европейской расы и ближневосточной расы. Семена первого поколения имели всхожесть более 90% и формировали плодовитые растения. Семена второго поколения от скрещивания представителей европейской расы имели всхожесть более 85%. Все растения были плодовиты, давали всхожие семена третьего поколения. Всхожесть семян второго поколения от скрещивания растений европейской и ближневосточной рас имели существенно сниженную всхожесть которая достигала 35-40%. Около половины растений второго поколения были стерильны. Анализ всхожести семян второго поколения показал, что существуют большие вариации по этому признаку. Всхожесть варьировалась от 0 до 90%. 2. Продолжен поиск гена TAE1, контролирующего развитие листа, в геноме Arabidopsis thaliana. Для идентификации гена TAE1 проанализирована нуклеотидная последовательность нескольких генов, расположенных на выявленном ранее участке локализации гена TAE1 во 2-ой хромосоме, у растений дикого типа расы Blanes и мутанта tae. В кодирующей части гена AT2G33010 (1-ый экзон) обнаружена делеция и инсерция - каждая протяженностью 9 пн, отсутствующая в растениях расы Columbia, но присутствующая как в растениях мутанта tae, так и у исходной расы Blanes. Функция гена не известна, он предположительно кодирует убиквитин-ассоциированный белок с доменом TS-N. Выявленные перестройки приводят к изменению аминокислотной последовательности белка. Поскольку по нашим данным характер наследования мутантного фенотипа tae меняется при переводе на генетический фон Columbia, обнаруженное изменение последовательности гена AT2G33010 может быть одним из двух генетических изменений, обуславливающих фенотип tae на генетическом фоне расы Blanes. Проведены детальные исследования строения клеток эпидермиса на верхней и нижней стороны листа мутанта tae и растений расы Blanes c использованием методов сканирующей микроскопии. Обнаружены изменения идентичности клеток верхней стороны листа у мутанта, которые выражались в появлении клеток неопределенной идентичности, напоминающих клетки меристем, а также клеток, свойственных нижней стороне листа (прежде всего - примордиальных клеток устьиц). В зрелом листе мутанта tae обнаружено существенное повышение уровня экспрессии репортерного гена бета-глюкуронидазы под контролем промотора гена циклина (CycB1;1::GUS), свидетельствующее об активации клеточных делений. В молодых растущих листьях разного возраста у мутанта особенности экспрессии трансгена не отличались от таковых в листьях дикого типа. Эти результаты указывают на приобретение состояния недетерминированности клетками мутанта tae только на поздних этапах онтогенеза листа. Проведен анализ транскрипции в листьях разного возраста 3-х групп генов с использованием метода ОТ-ПЦР-РВ: (1) генов PRS и WOX1, контролирующих рост пластинки в ширину, (2) генов, контролирующих развитие верхней (REV. PHB, PHV) и нижней стороны листа (FIL/YAB1 и YAB3), (3) гомеобоксных генов класса I KNOX контролирующих состояние плюрипотентности клеток (KN1, KN2, KN6, STM). РНК выделяли из листьев длиной 2-3 мм от 7-дневных проростков, листьев длиной от 14-дневных ювенильных растений и листьев 17-22 мм от 21-дневных растений, не достигших репродуктивной стадии. Листья 14- и 21-дневных растений перед выделением РНК разделяли на 3 части – черешок, базальная часть листовой пластинки, дистальная часть листовой пластинки. В пластинке листа 14- и 21-дневного мутанта выявлено достоверное снижение экспрессии генов PRS и WOX1, контролирующих рост пластинки в ширину, что позволяет объяснить нарушения у мутанта образовательной функции маргинальной меристемы и сужение листовой пластинки, выявленные ранее с использованием анатомо-гистологического анализа. Экспрессия генов класса I KNOX в листьях 7- и 14-дневных растений не выявлена, что свидетельствует об эпигенетическом замолкании генов плюрипотентности в клетках листа, характерном для растении дикого типа. В черешках 21-дневных растениях мутанта обнаружена повышенная по сравнению с диким типом экспрессия гена KN1, что подтверждает приобретение клетками мутанта состояния плюрипотености и объясняет причину формирования на листьях мутанта выростов и почек. В черешке и проксимальной части листовой пластинки растений мутанта 14 и 21-дневного возраста обнаружено повышение экспрессии генов, контролирующих развитие как нижней стороны листа, так и верхней стороны (кроме PHV), что согласуется с результатами анализа морфологии эпидермальных клеток верхней и нижней сторон листа. Поскольку разграничение доменов экспрессии генов верхней и нижней сторон листа, как и замолкание гена KN1, обусловлено эпигенетическими механизмами, мы предполагаем, что у мутанта нарушены процессы, поддерживающие стабильность эпигенетического замолкания генов. В пользу этого предположения свидетельствуют впервые полученные данные о комплементарном взаимодействии генов TAE1/2 с геном AS1, а также ранее полученные данные по взаимодействию TAE1/2 с геном AS2. Известно, что белки AS1 - AS2 действуют в составе одного белкового комплекса и привлекают к генам – мишеням белки PRC2, модифицирующие хроматин, гетерохроматиновый белок LHP1 и ДНК-метилтрансферазы. Мы предполагаем, что, взаимодействуя с генами AS, гены TAE1/2 поддерживают стабильность эпигенетических изменений, необходимых для сохранения созданных в процессе развития клеточных паттернов. 3.За отчетный период была продолжена работа по изучению динамики генетического разнообразия среди сортов гороха посевного (Pisum sativum L.) отечественной селекции. Выборка сортов была увеличена до 88 (в том числе 43 отечественных). Расширен спектр ДНК-маркеров, по которым ведется оценка уровня полиморфизма: в дополнение к CAPS-маркерам III хромосомы в анализ взяты CAPS-маркеры V хромосомы, а также микросателлитные (SSR-) маркеры этих двух хромосом. Работу планируется завершить в следующем году, однако сейчас можно считать подтвержденным первоначальный вывод о том, что в ходе селекции гороха происходит не снижение уровня полиморфизма, а выход его на плато. Также начались работы по исследованию влияния размера генома (содержания ДНК в ядре) на различные морфологические и физиологические характеристики у растений. В качестве объекта исследований выбрана триба Виковых (Fabeae) семейства Бобовых - группа с самыми большими геномами в семействе, демонстрирующая большой разброс значений этого параметра на фоне относительно стабильного хромосомного числа (ХЧ = 10, 12, чаще 14). Оптимизирована и отработана методика определения содержания ДНК методом проточной цитометрии. Была установлена связь содержания ДНК с такими показателями, как размер пыльцевых зерен, размер цветка, длительность жизненного цикла (последняя ассоциация является основным предметом исследований). В поисках природных полиплоидов были определены размеры генома у образцов чины луговой (Lathyrus pratensis) из различных местообитаний с территории России. Ранее было показано, что в Европе (особенно в южной) у этого вида распространены тетраплоидные популяции наряду с диплоидными, но образцы с территории РФ не были изучены по этому показателю. К настоящему моменту проанализированы девять образцов из различных регионов (от Московской области до Прибайкалья), и у всех содержание ДНК соответствует диплоидному уровню. Также в рамках этого проекта получены клеточные культуры гороха посевного для долговременного культивирования с целью изучения влияния этого процесса на размер и состав генома и длительность клеточного цикла.
4 1 января 2019 г.-31 декабря 2019 г. Изучение генетической организации генома растений
Результаты этапа:
5 1 января 2020 г.-31 декабря 2020 г. Изучение генетической организации генома растений
Результаты этапа:
6 1 января 2021 г.-31 декабря 2021 г. Изучение генетической организации генома растений
Результаты этапа:

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".