Изучение роли сигнальных пептидов СЕР в развитии картофеля: 2021 г. этап 3

Project: Grant fulfilmentGrant stage fulfilment

Project Details

Description

Проект направлен на изучение роли нового семейства пептидных фитогормонов СЕР в развитии ценной сельскохозяйственной культуры - картофеля (Solanum tuberosum). Выявление и изучение многочисленных семейств пептидных фитогормонов является одной из «горячих точек» современной генетики и физиологии растений. Наиболее изученным семейством пептидных фитогормонов являются пептиды CLE (CLAVATA3/EMBRYO SURROUNDING REGION-related), которые контролируют закладку и поддержание пулов стволовых клеток при формировании разных органов растений. Значительно менее изученные пептиды СЕР (C-Terminally Encoded Peptides), как и пептиды CLE, относятся к надсемейству посттрансляционно модифицируемых сигнальных пептидов растений. Функции пептидов СЕР, вероятно, также связаны с контролем органогенеза и меристематической активности клеток – в частности, имеются данные об участии СЕР в развитии корня и симбиотических клубеньков; рецепторы и мишени этих пептидов изучены очень слабо. В данном проекте мы планируем проверить предположение о роли пептидов СЕР в развитии растений картофеля и ответе на содержание азота в почве, а также провести поиск регулируемых ими генов-мишеней. В задачи работы входит: 1) Идентификация генов, кодирующих пептиды CEP, их рецепторы и мишени у картофеля и 2) Изучение роли CEP-пептидов в развитии растений картофеля и реакции на содержание азота в среде. При выполнении задач проекта мы ожидаем получить данные о роли пептидов СЕР в формировании признаков продуктивности картофеля. Результаты проекта могут иметь практическую ценность для научно обоснованной селекции картофеля.

Layman's description

Несмотря на активное изучение развития клубня у картофеля, многие аспекты все еще не освещены. Так, нет данных об участии пептидов СЕР в регуляции клубнеобразования. Пептиды СЕР являются гормонами белковой природы, которые у растений долгое время были в тени. У модельного растения генетики, у резуховидки, выявлено, что некоторые пептиды СЕР вовлечены в ответ на нехватку азота в среде. Азот же определяет рост и продуктивность большинства растений. Таким образом, для растений жизненно важной информацией являются сигналы о том, есть ли азот в почве или нет, что определяет их стратегию выживания. Воспринимается наличие азота корнями, после чего сигнал идет в листья и запускается процесс, ведущий к оптимизации роста растения. В передаче сигнала об отсутствии азота и вовлечены пептиды СЕР. Они сигнализируют всему растению о недостатке азота в почве, и растение усиливает всасывание азота теми корнями, которые находятся в азот-богатых условиях. Это было изучено на резуховидке, а также на бобовых растениях, у которых присутствие азота в почве важно для регуляции развития азотфиксирующих клубеньков на корнях. Однако в регуляции развития клубней роль пептидов СЕР не изучалась, хотя азот является важным регулятором образования клубня: уменьшение его количества стимулирует образование клубней.
У картофеля мы обнаружили 17 генов, кодирующих пептиды СЕР, и проанализировав их экспрессию, установили, что два из них, названные нами СЕР1 и СЕР2, особо активны при отсутствии азота. С помощью генетической конструкции, содержащей ген репортерного белка GUS, слитый с промоторами (регуляторными последовательностями) этих генов, мы показали, что эти гены активны в корне. В тех клетках, в которых происходит активация работы такой конструкции, накапливается репортерный белок GUS, работа которого приводит к появлению синего окрашенного продукта, маркирующего те клетки, в которых активен промотор изучаемых генов. Активность промоторов генов CEP1 и CEP2 была обнаружена в так называемом проводящем цилиндре корня, но не была выявлена в клетках коры корня. Далее мы выращивали полученные растения с трансгенными корнями, содержащих такие репортерные конструкции, на средах с азотом и без, однако результат оказался неожиданным для нас: промоторы генов CEP1 и CEP2 были более активны на среде с азотом, именно на среде с азотом наблюдалось более интенсивное накопление окрашенного продукта реакции. Мы предположили, что данное несоответствие можно объяснить тем, что при таком анализе в качестве регуляторной области гена берется относительная небольшая часть ДНК до старт-кодона гена (2 тысячи нуклеотидов), в которой могут находиться не все регуляторные элементы, необходимые для управления экспрессией гена при определенных условиях. Известно, что регуляция экспрессии генов представляет собой сложный процесс, в который может быть вовлечен целый ряд взаимодействующих регуляторов, как позитивных, так и негативных. В связи с этим возможно, что активация экспрессии генов CEP1 и CEP2 в ответ на недостаток азота также может быть связана с посадкой комплекса из взаимодействующих регуляторных белков на различные регуляторные последовательности, располагающиеся как в относительной близости к старт-кодону, так и значительно удаленных от него. Мы обнаружили, что по крайней мере один из таких регуляторов – белок NLP5 - взаимодействует с регуляторной областью гена CEP1.
Помимо этого, мы создали конструкции для увеличения количества пептида СЕР1 в картофеле для изучения его возможной функции в клубнеобразовании. Однако мы не обнаружили изменений в клубнеобразовании у таких растений. Также, у картофеля мы идентифицировали возможные мишени и рецепторы пептидов СЕР исходя из сходства последовательностей белков картофеля и резуховидки.
Эти результаты получены нами впервые и могут иметь как фундаментальное значение для генетики развития растений, так и практическое в качестве рекомендаций по научно обоснованной селекции и культивированию картофеля.

Key findings for the project

На первом этапе проекта мы выявили 5 генов СЕР у картофеля и обнаружили, что уровень экспрессии генов CEP1 и CEP2 был в 3 раза выше при росте растений на среде без азота, по сравнению с экспрессией на среде с азотом. Мы клонировали эти гены в векторы для сверхэкспрессии и получили штаммы агробактерий, несущие конструкции для сверхэкспрессии генов CEP1 и CEP2 картофеля. На втором этапе проекта были получены композитные растения картофеля с трансгенными корнями, несущие конструкции для сверхэкспрессии генов CEP1 и CEP2. Также были идентифицированы гены, кодирующие возможные рецепторы и мишени пептидов CEP у картофеля. На третьем этапе мы провели новый поиск генов СЕР картофеля и обнаружили еще 12 генов СЕР. C помощью общедоступных данных транскриптомных исследований мы показали, что экспрессия некоторых генов СЕР зависит от уровня азота в среде. Также мы проанализировали взаимодействие транскрипционного фактора NLP5 картофеля с промотором гена CEP1 и показали возрастание экспрессии генов NLP5, CEPD1 и CEPD2 в листьях растений со сверхэкспрессией СЕР1 в корнях.

Academic ownership of participants (text description)

Лебедева Мария Александровна - руководитель (25 %), Творогова Варвара Евгеньевна (5 %), Додуева Ирина Евгеньевна (5 %), Лутова Людмила Алексеевна (5 %), Поценковская Элина Андреевна (5 %), Кузнецова Ксения Андреевна (5%)
Рутковская Екатерина Алексеевна (30 %), Ганчева Мария Семеновна (20 %)
AcronymRFBR_a_2019 - 3
StatusFinished
Effective start/end date24/03/2128/12/21