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 22-24-20049

НазваниеКлеточные и молекулярно-генетические аспекты эволюции органогенеза у хвощовых (Equisetophytina, Polypodiopsida)

Руководитель Романова Марина Андреевна, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №65 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни; 04-102 - Ботаника

Ключевые слова эволюционная биология развития, хвощи, апикальная меристема побега, биоинформатика, транскриптом, транскрипционные факторы, HD-Zip III, WOX, Kanadi, YABBY, ARP

Код ГРНТИ34.15.29

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Появление специализированных для фотосинтеза органов – листьев, произошедшее вскоре после выхода растений на сушу явилось важнейшим событием как в морфологической эволюции растений, так и в экологии Земли. Однако и на сегодняшний день вопрос о способе их возникновения в разных таксонах растений остается дискуссионным. Палеоботаническая и анатомическая аргументация, приводимая сторонниками разных концепций не привела к формированию единой точки зрения. Дополнительные аргументы к вопросу об эволюционных гомологиях листьев могло бы дать сравнительное изучение клеточных аспектов и генетической регуляции их заложения и развития у представителей разных таксонов. На примере модельных цветковых растений показано, что происходящая при образовании листа в периферической зоне апикальной меристемы побега (АМП), относящейся к так называемому дуплексному структурному типу, смена программы «меристематичности» на органогенную определяется взаимодействием между меристемспецифичными транскрипционными факторами из семейств KNOTTED-1 (KNOX), WOX (Wushel-like homeobox) и CLE (по аббревиатуре CLV3/EMBRYO SURROUNDING REGION-related) и транскрипционными факторами, регулирующими разные аспекты развития листа, основными из которых являются представителями семейства ARP (по аббревиатуре ASYMMETRIC LEAVES1, ROUGH SHEATH2 и PHANTASTICA), представителями III класса семейства HD-Zip и семейств YABBY и KANADI, а также генами так называемых ауксинового ответа (ARF), экспрессия которых зависит от уровня этого фитогормона. Тем не менее имеющиеся на настоящий момент данные о молекулярно-генетической регуляции у немодельных растений охватывают лишь небольшой круг объектов, противоречивы и интерпретируются как аргументы в пользу разных взглядов на способ возникновения и эволюционные гомологии листьев растений. Разрешить эти противоречия должно исследование клеточных и молекулярных аспектов органогенеза возможно большего числа представителей разных таксонов эволюционно древних растений с разными структурными типами АМП (моноплексным, с единственной апикальной инициалью и симплексной с группой апикальных инициалей). Настоящий проект направлен на описание клеточных аспектов функционирования апикальной меристемы моноплексного типа у папоротниковидных (Polypodiophyta, Polypodiales) и плауновидных (Lycopodiophyta, Selaginellales) и апикальной меристемы симплексного типа у плауновидных (Lycopodiophyta, Lycopodiales) и биоинформатический поиск гомологов генов, кодирующих транскрипционные факторы - регуляторы органогенеза у представителей подотдела Equisetophytina - хвощовые (или хвощи). Хвощи, которые появились на Земле в Верхнем Девоне, более 350 млн лет назад, представляются перспективной группой растений для изучения регуляции морфогенеза в эволюционном контексте. До начала XXI века за крайне своеобразную морфологию эти растения выделяли в отдел Equisetophyta (хвощевидные), однако молекулярно-генетические данные выявили их близкое родство с папоротниковидными на основании которого хвощи вошли в отдел Polypodiophyta в ранге подотдела. Кроме сходства в нуклеотидных последовательностях, хвощовые имеют и ряд общих морфологических особенностей с папоротниковидными: апикальную меристему моноплексного типа (с единственной апикальной инициалью), предположительное отсутствие механизма формирования вторичных (пост-цитокинетических) плазмодесм. Однако в отличие от крупных, перистораздельных и обладающих длительным верхушечным ростом листьев папоротников, листья современных хвощей мелкие, чешуевидные и не фотосинтезирующие, что рассматривается как результат поэтапной редукции, произошедшей у ископаемых хвощовых (Sphenophyllopsida, или клинолистов). Одна из задач проекта - постараться выявить какие различия в молекулярно-генетической регуляции могли привести к такой редукции листьев. Основными методами в данном проекте будут методы анатомии растений (световая и трансмиссионная электронная микроскопия) и методы биоинформатики. Биоинформатический поиск гомологов основных меристемспецифичных (KNOX I класса, WOX, CLE) и регулирующих органогенез (HD-Zip III класса, ARP, YABBY, KANADI) генов, а также генов ауксинового ответа (ARF) будет проводится в геномах и транскриптомах плаунообразных с микрофилльными листьями, папоротникообразных с теломными (макрофилльными) листьями и голосеменных с редуцированными теломными листьями, доступных в базах данных NCBI и OneKP с использованием функции blastp (v. 2.2.28; Camacho et al., 2009), tBlastN и программы bwa-mem (Li and Durbin, 2010) и Stampy (Lunter and Goodson, 2011). У руководителя проекта есть задел руководства подобными исследованиями. В рамках поддержанных РФФИ проектов 17-04-00837А (2017-2019), РФФИ 14-04-01397 (2014-2016) (в обоих Романова М.А. являлась руководителем) были выполнены секвенирование и анализ транскриптомов плауновидного Huperzia selago (Lycopodiales) и Isoetes lacustris (Isoetales), а также визуализирована экспрессия гомологов KNOX I класса и YABBY методом in situ РНК-РНК гибридизации. В транскриптоме плауновидного Huperzia selago (Lycopodiales) впервые для несеменных растений выявлены гомологи генов, кодирующих транскрипционные факторы YABBY. Эти данные стали основой оригинальной гипотезы о вероятной эволюции механизмов регуляции органогенеза и дало понимание необходимости расширения круга объектов, включая в него представителей разных таксонов несеменных растений, различающихся по структурному типу апикальной меристемы и морфологии листьев. Таким образом данный проект продолжает биоинформатический аспект предыдущего исследования применительно к новой таксономической группе несеменных растений - хвощевидным (Equisetales). Другой задачей проекта будет исследование клеточных аспектов функционирования АМП хвощовых (Polypodiophyta, Equisetales), папоротниковидных (Polypodiophyta, Polypodiales) и плауновидных (Lycopodiophyta, Selaginellales) относящейся к моноплексному (с единственной апикальной инициалью) структурному типу и плауновидных (Lycopodiophyta, Lycopodiales) с АМП симплексного (с несколькими АИ) структурного типа методами световой и трансмиссионной электронной микроскопии. В ходе выполнения этой задачи будет использоваться метод картирования клеточных линий с целью выявить связь неравных периклинальных клеточных делений в последовательных сегментах единственной АИ с дифференцировкой клеток на ультраструктурном уровне и получить новые данные о симпластической (морфология и плотность распределения плазмодесм) структуре АМП моноплексного и симплексного типов. Эти данные помогут дополнить функциональную характеристику АМП моноплексного типа и, в сочетании с биоинформатическим данными о возможной молекулярно-генетической регуляции морфогенеза хвощей, предложить возможные структурные и молекулярно-генетические изменения, которые могли привести к трансформации АМП с единственной АИ в АМП с группой АИ или, напротив, реверсии к моноплексному типу в рамках разработки вопроса об исходном для высших растений типе АМП. Материалы, полученные в ходе выполнения проекта войдут в магистерскую диссертацию В.В. Домашкиной (защита июнь 2022) и ее будущую диссертацию на соискание ученой степени кандидата биологических наук, в случае успешного поступления в аспирантуру СПбГУ.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---