КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-76-00018

НазваниеИсследование взаимодействия метаболических путей биосинтеза пигментов различной природы с целью управления их составом и сочетанием в зерне ячменя с помощью современных генетических технологий

РуководительШоева Олеся Юрьевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения Российской академии наук", Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 06 - Сельскохозяйственные науки, 06-106 - Растениеводство

Ключевые словазлаки, зерно, биологически активные вещества, алломеланин, хлорофилл, фотосинтез, частичный альбинизм, почти-изогенные линии, маркер-контролируемый отбор

Код ГРНТИ68.03.03

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
На качественные характеристики зерна злаков существенное влияние оказывают биологически активные соединения, накапливающиеся в оболочках зерна. Многие из данных соединений являются пигментами, имеющими различную химическую природу и образующиеся в ходе различных метаболических путей (флавоиноиды, каротиноиды, меланины, хлорофилл). Помимо адаптивного значения для самих растений, пигменты рассматриваются также как элементы функционального питания для человека. Управление качественным и количественным составом биологически активных веществе является на сегодняшний день актуальным направлением селекции растений, в том числе злаков, а гены, контролирующие пигментный состав зерна, рассматриваются в качестве мишеней для метаболической инженерии новых форм злаков с повышенной питательной ценностью. Однако для успешного решения задач по направленной модификации химического состава зерна, необходимо глубокое понимание молекулярно-генетических механизмов, лежащих в основе его формирования. Целью предложенного проекта является исследование взаимосвязи между синтезом хлорофилла (и фотосинтезом) и синтезом малоизученных пигментов алломеланинов, которые образуются при окислении и полимеризации фенольных соединений в хлоропластах клеток леммы и перикарпа зерна ячменя. Исследование будет проведено с использованием набора уникальных почти-изогенных линий, отличающихся пигментным составом зерна. Их создание с помощью технологии ускоренной маркер-опосредованной селекции запланировано в рамках выполнения предложенного проекта. Сравнительное фенотипическое, цитологическое и молекулярно-генетическое изучение разработанных линий и их родительских форм позволит установить роль фотосинтеза в формировании алломеланинов в зерне ячменя. Полученные результаты будут иметь важное фундаментальное значение, а также способствовать решению практических задач, связанных с ускоренным и эффективным получением сельскохозяйственной продукции с заданными характеристиками.

Ожидаемые результаты
Ранее в нашей лаборатории было показано, что алломеланиновые пигменты накапливаются в хлоропластах клеток леммы и перикарпа зерна ячменя. Было сделано предположение, что на их формирование могут влиять процессы, связанные с фотосинтезом. Для проверки данной оригинальной гипотезы в работе будут использованы уникальные почти-изогенные линии ячменя, содержащие различные комбинации доминантных и рецессивных генов Blp и Alm, тканеспецифически контролирующих, соответственно, синтез алломеланинов и хлорофилла в лемме и перикарпе зерна ячменя. Линия, которая будет содержать одновременно доминантный аллель гена Blp и рецессивный аллель гена Alm, будет создана с помощью ускоренного маркер-опосредованного отбора в рамках выполнения заявленного проекта. Использование полного набора данных линий в сравнительном фенотипическом, цитологическом и молекулярно-генетическом исследовании позволит оценить влияние локуса Alm и роли фотосинтеза, который нарушен у линии с частичным альбинизмом чешуй колоса по причине отсутствия в них функционального хлорофилла, на синтез алломеланиновых пигментов в зерне ячменя. Разработанные модели также позволят установить влияние редокс состояния пластид на экспрессию ядерных генов, кодирующих ферменты биосинтеза фенилпропаноидов и тирозиназ, которые, предположительно, участвуют в синтезе алломеланина в зерне ячменя. Поскольку процесс синтеза алломеланинов у растений исследован очень слабо, полученные результаты будут иметь важное фундаментальное значение, а также способствовать решению практических задач, связанных с ускоренным и эффективным получением сельскохозяйственной продукции с заданными характеристиками.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Для исследования взаимосвязи между синтезом хлорофилла (и фотосинтезом) и синтезом полимерных полифенольных соединений алломеланинов в зерне ячменя в ходе первого года реализации проекта с помощью технологии ускоренной маркер-опосредованной селекции была разработана гибридная линия с частичным альбинизмом чешуй колоса и узлов стебля, накапливающая алломеланин в зерне. Проведена сравнительная морфологическая характеристика полученной линии и родительских исходных линий по признакам развития и урожайности, а также исследована динамика формирования алломеланиновой пигментации в колосе. Показано, что отсутствие хлорофилла в зерне снижает параметры продуктивности растения, а также влияет на формирование алломеланиновой пигментации, замедляя ее появление. Дальнейшее цитологическое и молекулярно-генетическое изучение разработанной линии в совокупности с родительскими линиями позволит установить роль фотосинтеза в биосинтезе алломеланинов в зерне ячменя. Полученные результаты будут иметь важное фундаментальное значение, а также способствовать решению практических задач, связанных с ускоренным и эффективным получением сельскохозяйственной продукции с заданными характеристиками.

 

Публикации

1. Глаголева А.Ю., Мурсалимов С.Р., Грачева Н.В., Шмаков Н.А., Леванова Н.М., Бёрнер А., Афонников Д.А., Шоева О.Ю., Хлесткина Е.К. Current achievements in study of black-spiked barley Book of Abstracts: the 5th Conference on Cereal Biotechnology and Breeding, November 4–7, 2019, Budapest, Hungary., P.22-23 (год публикации - 2019)

2. Глаголева А.Ю., Шмаков Н.А., Мурсалимов С.Р., Грачева Н.В., Кукоева Т.В., Шоева О.Ю., Хлесткина Е.К. Исследование взаимосвязи синтеза меланина и других пигментов в колосе ячменя БИОЛОГИЯ – НАУКА ХХI ВЕКА: 24-я Международная Пущинская школа конференция молодых ученых, C. 120 (год публикации - 2020)

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В отчетный период было проведено сравнительное цитологическое, молекулярно-генетическое и морфологическое исследование набора почти-изогенных линий с различными комбинациями аллелей генов Alm1 и Blp1, контролирующих синтез хлорофилла и меланина, соответственно, в тканях зерна ячменя. Использование созданной в ходе выполнения проекта гибридной линии, характеризующейся одновременно дефицитом хлорофилла в оболочках зерна и накоплением в них меланина, позволило выявить особенности формирования меланиновой окраски колоса ячменя, связанные с функциональной активностью пластид. Впервые показано, что фотосинтез не является строго необходимым для меланогенеза в колосе ячменя. Однако заметное снижение интенсивности накопления меланина в перикарпе у гибридной линии, пластиды которого не имели внутренних мембран, по сравнению с цветковыми чешуями, пластиды которых характеризовались хорошо развитыми внутренними мембранами, свидетельствует о том, что для эффективного меланогенеза необходимы функционально активные пластиды с развитой системой внутренних мембран. Сравнительный анализ транскрипционной активности генов биосинтеза фенилпропаноидов и тирозиназ, которые предположительно задействованы в синтезе меланина у растений, показал, что активация ключевых генов биосинтеза фенилпропаноидов происходит в развивающемся колосе у всех исследуемых линий, вне зависимости от их пигментного состава. Одновременно с этим выявлена тенденция к снижению транскрипционной активности генов, кодирующих тирозиназы, в бесхлорофилльных линиях, что может свидетельствовать об участие ретроградного сигнального пути (от пластид к ядру) в регуляции экспрессии этих генов в зерне ячменя. В ходе сравнительного морфологического анализа изучаемых линий было установлено положительное влияние локуса Blp1 на плотность колоса, количество колосьев, количество и массу зёрен с растения, и одновременно с этим отрицательное влияние этого локуса на массу 1000 зёрен и их ширину. Обнаруженный отрицательный эффект локуса Blp1 на параметры урожайности зерна может быть связан с нарушением фотосинтетической активности тканей колоса, накапливающих меланин, и обусловленным им снижением накопления ассимилятов в зерне.

 

Публикации

1. Мурсалимов С., Глаголева А., Хлесткина Е., Шоева О. Chlorophyll deficiency delays but does not prevent melanogenesis in barley seed melanoplasts Protoplasma, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1007/s00709-021-01669-3

2. Шоева О., Глаголева А., Кукоева Т. Effects of the Blp1 locus, which controls melanin accumulation in the barley ear, on the size and weight of seeds Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции, - (год публикации - 2021)

3. Глаголева А.Ю., Шоева О.Ю., Хлесткина Е.К. Melanin pigment in plants: current knowledge and future perspectives Frontiers in Plant Science, 11:770 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00770

4. - Ученые обобщили данные изучения меланина у растений Наука в Сибири, 10 июля 2020 (год публикации - )

5. - Чёрная пшеница и синий ячмень. Сибирским учёным удалось вырастить уникальные злаки Телеканал ОТС, 22 июля 2020 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
не указано