1.     Основное направление фундаментальных и фундаментально-ориентированных исследований

Молекулярно-генетические механизмы формирования защитного ответа растений и функциональная организация генов защитного ответа злаков трибы Triticeae.

2.     Задачи, решаемые в настоящее время в рамках базового бюджетного проекта 

В рамках бюджетного проекта VI.53.1.5. («Геном злаков: изучение организации и вклада отдельных участков хромосом и генных локусов в проявление признаков и формообразование») подразделение выполняет работы по блоку «Структурно-функциональная организация ряда генов защитного ответа у злаков» и решает задачи, связанные с выделением нуклеотидных последовательностей отдельных структурных и регуляторных генов защитного ответа злаков трибы Triticeae (Пшеницевые), исследованием эволюции и организации выделенных генов, а также определением их функциональной роли в условиях абиотического стресса.

3.     При наличии прикладных результатов (что желательно) должен быть введен еще один раздел «Прикладные разработки».

4.     Иллюстрированное описание лучших результатов, полученных подразделением за последние 5 лет

Гены защитного ответа растений представлены несколькими группами генов, в том числе, генами, участвующими в биосинтезе флавоноидных соединений, к которым относятся растительные пигменты антоцианы. Исследования, проводимые в секторе, впервые продемонстрировали взаимосвязь регуляции биосинтеза антоцианов в перикарпе зерна и колеоптиле пшеницы с жизнеспособностью растений в неблагоприятных условиях. Например, показано, что проростки пшеницы с высоким содержанием антоцианов более устойчивы к засухе, чем слабо окрашенные растения. Установлено, что после длительного хранения семена пшеницы с окрашенным перикарпом (рис. 1) обладают лучшей всхожестью по сравнению с семенами, которые не окрашены антоцианами. Предположительно, повышенная жизнеспособность окрашенных семян связана с антиоксидантным действием пигментов. Этот фактор может быть учтен при производстве стратегических запасов зерна пшеницы с целью длительного хранения. 

Особое внимание уделяется использованию генетического потенциала дикорастущих и культурных сородичей для улучшения устойчивости основного хлебного злака пшеницы мягкой (Triticum aestivum L.). За последние 5 лет коллективом подразделения впервые выделены и охарактеризованы полноразмерные последовательности более 10 генов защитного ответа злаков трибы Пшеницевые; получены фенотипические и молекулярно-цитологические характеристики новых чужеродно-замещенных линий пшеницы, в геноме которых скомбинированы гены защитного ответа, происходящие от разных видов злаков; разработаны ген-специфичные ДНК-маркеры для дальнейшего сравнительного анализа транскрипции генов защитного ответа в чужеродно-замещенных формах и для использования в селекционном процессе.

Исследование цитологически и генетически маркированных линий злаков трибы Пшеницевые, позволили установить, что гены, определяющие фенотип злаковых растений по признакам окраски, являются регуляторными (рис. 2.): разные аллели этих генов предопределяют различия в транскрипционной активности структурных генов биосинтеза антоцианов (или других растительных пигментов фенольной природы). Впервые для растений трибы Triticeae выделена нуклеотидная последовательность одного из регуляторных генов – MYC1, экспрессия которого необходима для активации биосинтеза антоцианов в перикарпе (рис. 2.)

При изучении генов защитного ответа особое внимание уделяется сравнительному исследованию ортологичных копий генов у разных видов (так, например, нами впервые описана элиминация интронов в генах, кодирующих халконфлаванонизомеразу (CHI), в геномах видов злаков, принадлежащих трибе Пшеницевые, рис. 3), а также дуплицированных копий генов в одном геноме (сохранение в одном геноме нескольких копий одного и того же гена может свидетельствовать о возникновении новой функции или о функциональной специализации дуплицированных генов). Так, у общего предка трибы Triticeae за счет небольшой сегментной дупликации в хромосоме 2 образовались две копии ключевого гена биосинтеза флавоноидов, кодирующего фермент флаванон-3-гидроксилазу, F3H (рис. 4). Несмотря на то, что в ходе эволюции у большинства видов одна из копий превратилась в псевдоген, в некоторых геномах злаков, в том числе, в геноме В пшеницы, сохранились две функционально активные копии, которые приобрели специализацию. Одна из копий экспрессируется в генеративных и наземных вегетативных органах и участвует, главным образом, в биосинтезе антоцианов, другая копия экспрессируется только в корнях, принимая участие в биосинтезе неокрашенных флавоноидных соединений (рис. 4).

Рисунок 3. Элиминация интронов в генах CHI трибы Пшеницевые

Рисунок 4. Структурные и функциональные различия между дуплицированными генами F3H

5.     Задачи, планируемые на перспективу: формулировки должны содержать как фундаментальные научные задачи, так и возможную прикладную направленность исследований в подразделении

• Реконструкция регуляторной сети биосинтеза флавоноидов растений с помощью экспериментально теоретических подходов.
• Выявление особенностей экспрессии генов защитного ответа на чужеродном генетическом фоне.
• Создание на основе химического мутагенеза и гибридизации новых генетических моделей для выявления дифференциально экспрессирующихся генов, связанных с защитным ответом, а также с важными характеристиками колоса злаковых растений и другими хозяйственно-ценными признаками; сравнительный анализ полученных линий на уровне фенома, транскриптома и протеома.

Совместители