Анализ генетических основ экологической пластичности полиплоидных растений

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 21-74-20145

НазваниеАнализ генетических основ экологической пластичности полиплоидных растений

Руководитель Пенин Алексей Александрович, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича Российской академии наук , г Москва

Конкурс №51 - Конкурс 2021 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-104 - Общая генетика

Ключевые слова полногеномные дупликации, полиплоиды, сборка геномов, аннотация геномов, адаптация, отбор, Heracleum sosnowskyi, Capsella, популяционная генетика, экология растений, генетика растений, молекулярная эволюция

Код ГРНТИ34.23.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Полиплоидия широко распространена среди растений: полногеномные дупликации считаются одним из основных способов видообразования, имеющим далеко идущие последствия для экологии и эволюции вида. Многие из сельскохозяйственных растений – полиплоиды, так же как и большинство инвазивных растительных видов. Предположительно, полиплоидизация усиливает адаптивный потенциал, особенно при значительных изменениях окружающей среды. Развитие геномных технологий позволило обнаружить сотни полногеномных дупликаций, произошедших в течение последних 500 миллионов лет в различных эволюционных линиях как растений, так и животных. Однако причины частого преимущества полиплоидов над родительскими видами выяснены не до конца. Парадокс заключается в том, что для успешности в большом ареале необходимо наличие высокого генетического разнообразия, тогда как при экспансии нового аллополиплоида оно снижается дважды: для каждого из субгеномов при образовании вида и при захвате новых мест обитания (особенно при единичных событиях интродукции). Однако у аллополиплоидов параллельно возникает другой источник изменчивости, проистекающий из возникновения новых регуляторных связей между субгеномами, а также неограниченного источника комбинаторной изменчивости при потере разных паралогичных генов. Улучшить понимание процессов происходящих при образовании эволюционно успешных полиплоидов может изучение двух модельных систем: Capsella bursa-pastoris – недавнего аллотетраплоида, и Heracleum sosnowskyi – представителя группы, прошедшей через полиплоидизацию раньше. Недавний аллотетраплоид Capsella bursa-pastoris является одним из лучших объектов для такого анализа. Родительские виды этого объекта Capsella rubella и Capsella orientalis имеют небольшие ареалы в зонах с благоприятным климатом. Тогда как их гибрид является одним из самых распространенных растений в мире и произрастает во многих климатических зонах — от Мурманска и пустынь на Ближнем Востоке, до горных районов Китая. Таким образом, для данного вида наблюдается резкий рост приспособленности, генетические основы которого пока мало изучены. Большим преимуществом этого объекта является близость к модельному объекту генетики растений Arabidopsis thaliana, что существенно упрощает функциональный анализ генов, анализ динамики функционирования генетических сетей, аннотацию регуляторных участков и т.д. Второй объект нашего исследования — Heracleum sosnowskyi — печально известный вид-интродуцент, распространившийся в настоящее время по всей европейской части России и активно распространяющийся в Сибири и на Дальнем Востоке и представляющий опасность для здоровья человека. На ограниченных данных было показано, что в западной Европе свойствами агрессивных инвазивных видов обладает не только Heracleum sosnowskyi, но также и близкие виды — Heracleum mantegazzianum и Heracleum persicum, и что в успешности инвазии могла играть роль межвидовая гибридизация (хотя она и считается крайне редким явлением у зонтичных). В ходе проекта планируется с использованием методов сравнительной и популяционной геномики провести исследования популяций этих двух видов из разных климатических зон, включая границы ареалов, что позволит описать особенности эволюции как генов, так и систем регуляции у этих объектов. На основе полученных данных можно будет создать биологическую модель процессов, приводящих к росту приспособленности у полиплоидов и попытаться предсказать дальнейшую динамику распространения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Клепикова А., Шнайдер Э., Касьянов А., Ремизова М., Соколов Д., Пенин А. lepidium-like, a naturally occurring mutant of Capsella bursa-pastoris and its implications for the evolution of petal loss in Cruciferae Frontiers in plant science, V.12, article 714711 (год публикации - 2021)
10.3389/fpls.2021.714711

2. Касьянов А.С., Макаренко М.С., Пенин А.А. Опыт сборки геномов полиплоидных организмов на примере тетраплоида Capsella bursa-pastoris III Всероссийская конференция “Высокопроизводительное секвенирование в геномике”. Тезисы, с. 20 (год публикации - 2022)

3. Логачева М.Д. Щелкунов М.И., Штратникова В.Ю., Харди Г., Макаренко М.С., Пенин А.А. Genome and transcriptome of an invasive plant species Heracleum sosnowskyi II Всероссийская конференция “Высокопроизводительное секвенирование в геномике”. Тезисы, c 25 (год публикации - 2022)

4. Щелкунов М.И. Mabs, a suite of tools for gene-informed genome assembly BMC Bioinformatics, 2023 Oct 4;24(1):377. (год публикации - 2024)
10.1186/s12859-023-05499-3

5. Коблова С.Д., Логачева М.Д., Пенин А.А., Клепикова А.В. Genetic basis of apetaly in Capsella bursa-pastoris Генетика, геномика, биоинформатика и биотехнология растений» (PLANTGEN 2023): тезисы докладов, 195 с. (год публикации - 2024)

6. Птицина Е.В., Дудов С.В., Ежова М.А., Гельтман Д.В., Пенин А.А., Логачева М.Д. Genetic diversity of invasive plant Heracleum sosnowskyi Генетика, геномика, биоинформатика и биотехнология растений» (PLANTGEN 2023): тезисы докладов, 326 (год публикации - 2024)

7. Щелкунов М.И., Штратникова В.Ю., Клепикова А.В, Макаренко М.С., Омельченко Д.О. Новикова Л.А., Обухова Е.Н., Богданов В.П., Пенин А.А., Логачева М.Д. The genome of the toxic invasive species Heracleum sosnowskyi carries an increased number of genes despite absence of recent whole-genome duplications Plant Journal, 2023 Oct 17. doi: 10.1111/tpj.16500. Online ahead of print. (год публикации - 2023)
10.1111/tpj.16500

8. Птицына Е.В., Дудов С.В., Ежова М.А., Прокопчук С.Р., Гладилин А.А., Гельтман Д.В., Пенин А.А., Логачева М.Д. Genetic variability of Heracleum sosnowskyi and related species in context of giant hogweeds invasion XX International Botanical Congress IBC 2024, Spain. Book of Abstracts. Posters., XX International Botanical Congress IBC 2024, Spain. Book of Abstracts. 371 c. (год публикации - 2024)

9. Пенин А.А., Касьянов А.С., Клепикова А.В., Омельченко Д.О., Макаренко М.С., Логачева М.Д. Origin and diversity of Capsella bursa-pastoris from the genomic point of view BMC Biology, BMC Biol. 2024 Mar 5;22(1):52. doi: 10.1186/s12915-024-01832-1. (год публикации - 2024)
10.1186/s12915-024-01832-1

10. Коблова СД, Логачева МД, Клепикова АВ, Пенин АА Molecular basis and population genetics of petal loss in Capsella bursa-pastoris (Brassicaceae) XX International Botanical Congress IBC 2024, Spain. Book of Abstracts. Posters., XX International Botanical Congress IBC 2024, Spain. Book of Abstracts. 294 c. (год публикации - 2024)

11. Касьянова А.М., Митюков В.Д., Герман Д.А., Касьянов А.С., Пенин А.А., Логачева М.Д. Chromosome-Scale Assembly of Capsella orientalis, Maternal Progenitor of Cosmopolitan Allotetraploid C. bursa-pastoris Genome Biology and Evolution, Volume 17, Issue 1, January 2025, evaf009, (год публикации - 2025)
10.1093/gbe/evaf009

Публикации

4. Щелкунов М.И. Mabs, a suite of tools for gene-informed genome assembly BMC Bioinformatics, 2023 Oct 4;24(1):377. (год публикации - 2024)
10.1186/s12859-023-05499-3

Публикации

4. Щелкунов М.И. Mabs, a suite of tools for gene-informed genome assembly BMC Bioinformatics, 2023 Oct 4;24(1):377. (год публикации - 2024)
10.1186/s12859-023-05499-3

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Мы секвенировали и собрали геном Capsella orientalis — материнского предка Capsella bursa-pastoris. В соответствии с метрикой BUSCO полнота сборки составляет 99,3%, а 95% сборки представлены восемью скаффолдами, соответствующими хромосомам. Выравнивание геномов C. orientalis и C. rubella (отцовского предка Capsella bursa-pastoris) показало высокий уровень их синтении, за исключением инверсии длиной 2 Мб на 4-й хромосоме C. rubella. Этот участок в C. bursa-pastoris совпадает с C. orientalis, что предполагает более позднее появление инверсии или её ограниченность отдельными популяциями C. rubella. Также обнаружено исчезновение участка длиной 1,8 Мб на 5-й хромосоме субгенома O, что, вероятно, произошло после формирования C. bursa-pastoris. Сравнение метиломов показало, что паттерны метилирования у обоих родительских видов и у субгеномов между собой сходны, в них преобладает CpG-метилирование, особенно сильно оно в прицентромерных и центрометрных участках. Однако различия между субгеномами O и R Capsella bursa-pastoris касаются CHH-метилирования: у субгенома O оно сильнее связано с некодирующими участками. Это согласуется представлениями о том, что CpG-метилирование более эволюционно стабильно, а другие типы более изменчивы. Также мы изучили реакцию C. bursa-pastoris на холодовой и тепловой стрессы у трёх экотипов. Для этого использовали данные RNA-seq, полученные на платформе Hiseq4000. В ответе на холод активируются гены CBF, регулирующие экспрессию десятков других генов. Однако у линии из ближневосточной популяции один из гомеологов (из субгенома R) активируется слабее. Это свидетельствует о различиях во вкладе субгеномов в адаптацию к холодовую стрессу. Гены, участвующие в ответе на тепловой стресс, включают семейство HSF, которое отвечает за синтез белков теплового шока. Выявлено, что активность гомеологов также варьирует: например, ген HSFA1e активируется только в субгеноме O у линии из европейской популяции. Однако в целом ответ на оба типа стрессов симметричен у всех линий - меняется примерно одинаковое число генов из субгеномов R и О, что свидетельствует о симметрии эволюции субгеномов. По направлению исследования генетического разнообразия Heracleum: добавлены 21 новый образец Heracleum sosnowskyi и H. lanatum с Камчатки и Сахалина. Анализ геномов подтвердил наличие древней интрогрессии пластид между H. lanatum и H. sosnowskyi. При этом гибриды в зонах их совместного произрастания не выявлены. Подтверждено отсутствие разграничения между H.sosnowskyi, H. mantegazzianum и H. pubescens.

Публикации

4. Щелкунов М.И. Mabs, a suite of tools for gene-informed genome assembly BMC Bioinformatics, 2023 Oct 4;24(1):377. (год публикации - 2024)
10.1186/s12859-023-05499-3