Эволюция прогамной фазы оплодотворения у семенных растений: физиологические аспекты

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 проекта 21-74-10054

НазваниеЭволюция прогамной фазы оплодотворения у семенных растений: физиологические аспекты

Руководитель Брейгина Мария Александровна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №61 - Конкурс 2021 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-206 - Физиология и биохимия растений

Ключевые слова размножение растений, гаплоидное поколение, полярный рост, мужской гаметофит, пыльцевая трубка, активные формы кислорода, ионный гомеостаз

Код ГРНТИ34.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность исследования механизмов, регулирующих прорастание мужского гаметофита обусловлена тем, что этот процесс определяет успех оплодотворения и, соответственно, образования семян. Возможность и эффективность прорастания определяется двумя факторами: во-первых, фертильностью самого мужского гаметофита, которая зависит от условий его формирования и от генотипа, а во-вторых, способностью спорофитных тканей активировать и поддержать пыльцевое зерно на ранних этапах его активации и позднее, в процессе роста. Именно на последнем пункте мы и планируем сосредоточиться в рамках настоящего Проекта. Таким образом, поставленная цель лежит в плоскости межклеточной коммуникации между пыльцой и женскими тканями. Акцент планируется сделать на взаимодействие между пыльцой и жидкостью, в которой она активируется и прорастает in vivo (назовем ее рецептивной жидкостью, РЖ). Этот аспект является крайней важным для успеха репродукции, поскольку у всех растений с влажным рыльцем и большинства хвойных растений пыльца при опылении оказывается в жидкости, погружается в неё и в ней прорастает. Наша гипотеза заключается в том, что состав жидкости и её свойства оказываются ключевыми факторами, определяющими эффективность прорастания пыльцы. Эти факторы мы будем рассматривать в эволюционном аспекте: мы планируем проследить развитие систем взаимодействия между пыльцой и женскими тканями у растений из разных семейств, как голо-, так и покрытосеменных. Со стороны пыльцевого зерна такая работа уже была нами начата: мы проверяли способность пыльцевых зёрен растений из разных систематических групп реагировать на какие-либо активирующие факторы (в основном АФК) в условиях in vitro. Но это лишь одна сторона: ведь если даже пыльца способна реагировать на какой-либо сигнал, это ещё не доказывает, что такой сигнал действительно воздействует на неё in vivo. Изучая свойства РЖ и меняя их, мы можем выявить соответствие между системами контроля прорастания со стороны спорофита и способностью пыльцы реагировать на эти системы. Надо сказать, что жидкости, участвующие в прорастании пыльцы у хвойных растений (опылительная капля) и у цветковых растений (рыльцевый экссудат) продуцируются разными тканями и проводить между ними прямую гомологию было бы неправильным, но тем важнее их функциональное сходство как среды, поддерживающей прорастающий гаметофит. Состав этих жидкостей уже изучался для некоторых растений, но основной упор всегда делался на питательный состав (смесь углеводов) и белковый компонент (ферменты и регуляторные белки). Мы же планируем, во-первых, собрать рецептивные жидкости с целого ряда растений из разных филогенетических групп (сосновые, замиевые, гинкго, кирказоновые, пионовые, паслёновые, лилейные и другие), во-вторых, провести сравнение этих жидкостей по разным параметрам, связанным с межклеточным взаимодействием: измерить в них содержание АФК и антиоксидантную активность (методами ЭПР, хемилюминесценции, спектрофотометрии), содержание неорганических ионов (спектрофлуориметрия, пламенная фотометрия), насыщенных и ненасыщенных жирных кислот (ГХ-МС) и фитогормонов (ВЭЖХ). В ходе реализации Проекта впервые для разных групп растений будет проведено сравнительное исследование пыльцевых трубок, формирующихся и растущих in vitro и in vivo. На данный момент такие исследования проводились только на модельных объектах и включали в себя главным образом измерения количественных параметров (насколько быстро растет трубка). Полученные результаты достаточно очевидны: in vivo она растет быстрее. Гораздо интереснее другой вопрос: почему? В нашей работе планируется применять нативную и модифицированную РЖ в качестве дополнения к прорастанию in vitro. Модификации РЖ помогут выявить наиболее важные для прорастания компоненты, воздействующие на пыльцу в каждой из групп растений. Сравнение будет включать в себя как количественные показатели (скорость роста трубок, интенсивность дыхания), так и цитологические характеристики (флуоресцентная микроскопия, ТЭМ, гистохимия), показывающие, как именно обеспечивается быстрый рост. Также большой интерес представляет вопрос, насколько универсальны механизмы контроля прорастания, и насколько эти механизмы могут быть ответственны за многократное укорачивание прогамной фазы оплодотворения у цветковых растений по сравнению с голосеменными. Для ответа на него нам необходим достаточно широкий в таксономическом смысле охват растений. Мы, как небольшой коллектив, не планируем исследовать десятки видов, но гораздо важнее, как нам кажется, выбрать растения, максимально отстоящие друг от друга на филогенетическом древе (с поправкой на доступность в нашей полосе и в нашем городе), а также протестировать как можно больше параметров, которые могут оказывать влияние на прорастание. В состав коллектива, помимо сотрудницы, дипломницы и аспирантки руководителя, вошли специалисты из разных областей ботаники, биофизики и физиологии, которые обеспечат комплексный характер исследования. У каждого члена коллектива своя экспериментальная задача, основанная на его методической компетенции и позволяющая привлечь к исследованию целый ряд современных методов без закупки чрезмерно дорогостоящего оборудования, а также грамотно подойти к таксономии растений и эволюционной проблеме, что очень важно для подготовки высокорейтинговых публикаций. В результате реализации Проекта будет впервые экспериментально получен ответ на вопрос о наиболее важных механизмах контроля начальных этапов прогамной фазы оплодотворения у разных групп растений. Также будет впервые проверена гипотеза о различиях в этих механизмах между голосеменными и покрытосеменными растениями и выявлены факторы, способствовавшие многократному ускорению прогамной фазы у последних. На этой основе станет возможным предложить стратегии оптимизации репродуктивного процесса, и, как следствие, повышения продуктивности растений и их устойчивости к неблагоприятным внешним воздействиям.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Брейгина М.А., Щекалева О.И., Клименко Е.С., Лунева О.Г. The Balance between Different ROS on Tobacco Stigma during Flowering and Its Role in Pollen Germination Plants, 11(7):993 (год публикации - 2022)
10.3390/plants11070993

2. Брейгина М.А., Воронков А.С., Галин И.Р., Ахиярова Г.Р., Полевова С.В., Клименко Е.С., Иванов И.И., Кудоярова Г.Р. Dynamics of endogenous levels and subcellular localization of ABA and cytokinins during pollen germination in spruce and tobacco Protoplasma (год публикации - 2022)

3. Брейгина М.А., Лунева О.Г., Щекалева О.И., Лазарева Н.С., Бабушкина К.О., Кирилюк И.А. Pattern of ROS generation and interconversion on wet stigmas in basal and divergent angiosperms Plant Growth Regulation (год публикации - 2023)

4. Брейгина М.А., Воронков А.С., Иванова Т.В., Бабушкина К.О. Fatty Acid Composition of Dry and Germinating Pollen of Gymnosperm and Angiosperm Plants International Journal of Molecular Sciences, 24(11), 9717 (год публикации - 2023)
10.3390/ijms24119717

5. Брейгина М.А., Кочкин Д.В., Воронков А.С., Иванова Т.В., Бабушкина К.О., Клименко Е.С. Plant Hormone and Fatty Acid Screening of Nicotiana tabacum and Lilium longiflorum Stigma Exudates Biomolecules, 13(9), 1313 (год публикации - 2023)
10.3390/biom13091313

6. Щекалёва О.И., Лунёва О.Г., Клименко Е.С., Шалюхина С.А., Брейгина М.А. Dynamics of ROS production, SOD, POD and CAT activity during stigma maturation and pollination in Nicotiana tabacum and Lilium longiflorum Plant Biology (год публикации - 2024)
10.1111/plb.13677

7. Брейгина М.А., Лунёва О.Г., Бабушкина К.О., Щекалёва О.И., Полевова С.В. Reactive oxygen species in pollination drops of coniferous plants Theoretical and Experimental Plant Physiology, 36, 761–769 (год публикации - 2024)
10.1007/s40626-024-00343-2

Публикации