Том 14, №3

Бобовые растения образуют симбиозы с клубеньковыми бактериями (КБ) и грибами арбускулярной микоризы (АМ). Формирование симбиозов повышает устойчивость растений к стрессам и способствует получению стабильного урожая даже в условиях глобального изменения климата. Изучение молекулярных основ симбиозов, образуемых бобовыми, необходимо для повышения эффективности данных симбиозов при их использовании в современном сельском хозяйстве. Ранее для модельных бобовых растений при помощи мутационного анализа были изучены отдельные регуляторные гены (т.н. Sym-гены), контролирующие некоторые этапы развития симбиозов. В настоящее время технологии высокопроизводительного секвенирования позволяют исследовать полный набор генов, кодирующих «молекулярную машину симбиоза» и необходимых для обеспечения метаболической интеграции симбионтов. Среди них выделяют гены, кодирующие нодулины (от англ. nodule – клубенёк), белки специфичные для бобово-ризобиального симбиоза (БРС), и микоризины, специфичные для арбускулярно-микоризного (АМ) симбиоза. Продукты генов, экспрессия которых индуцируется при развитии как БРС, так и АМ, получили название симбиозины. Гены, кодирующие симбиозины, нодулины и микоризины исследованы на модельных бобовых Medicago truncatula Gaertn., Lotus japonicus (Regel.) K. Larsen и Glycine max (L.) Merr., в то время как симбиоз-специфичные гены немодельных бобовых, а также особенности их экспрессии, изучены к настоящему моменту недостаточно. Применение подходов транскриптомики (т.е. изучение всего набора экспрессирующихся генов - транскриптома) позволяет восполнить этот пробел в знаниях. В данной работе мы суммировали результаты исследований за последние годы в области экспрессии вышеуказанных групп генов у бобовых растений.

Построена дискретно-непрерывная модель молекулярно-генетической системы управления дифференциальной активностью генов в клетках клональной популяции у бактерий. Система состоит из 3-оперонного осциллятора и пары 2-оперонных триггеров, связанных между собой транскрипционными репрессорами. В модели учитываются основные кинетические параметры генной экспрессии: единичные интенсивности транскрипции генов и трансляции мРНК, коэффициенты деградации мРНК и белков, пороговые концентрации транскрипционных факторов, а также временные задержки. Исследован репертуар функциональных состояний системы, который включает в себя один периодический режим (с активным осциллятором) и два положения равновесия (с инактивированным осциллятором). Возможность сосуществования режимов определяется соотношениями скоростей синтеза и деградации генных продуктов всех трех динамических модулей системы. Проведены компьютерные эксперименты в условиях, имитирующих экспоненциальный рост клеточной популяции, с учетом линейного роста индивидуального объема клетки в клеточном цикле. Показано, что в широком диапазоне значений кинетических параметров каждый режим может стабильно наследоваться в ряду клеточных делений. Данное свойство относит генную сеть к классу эпигенов – особых наследственных единиц, в которых часть наследственной информации хранится, кодируется и передается потомству вне первичной структуры молекул ДНК генома. В модели выявлено типовое соотношение скоростей экспрессии генов сети, при котором происходит расщепление растущей клеточной популяции, поначалу эпигенетически однородной (инициальное состояние – периодический режим), на три субпопуляции, разнящиеся по эпигенетическому статусу образующих их клеток (альтернативные паттерны – периодический режим и два положения равновесия). Соответствующие эпигенотипы клеток могут отличаться нулевым, низким или высоким уровнями экспрессии целевых генов и тем самым детерминировать адаптационные стратегии как природных, так и эпигенетически модифицированных бактерий.

Саморегуляция представляет собой способность контролировать свое поведение, эмоции и мысли для достижения долгосрочных целей. Предполагается, что индивидуальные различия в системе саморегуляции возникают ввиду сложных взаимодействий между средовыми и наследственными факторами, среди которых ключевая роль отводится нарушениям нейромедиаторного обмена в головном мозге, однако генетические механизмы, лежащие в его основе, до сих пор не ясны. Целью данного исследования является оценка основного эффекта полиморфных локусов генов рецепторов аргинин-вазопрессина (AVPR1A (rs1042615 и rs3803107), AVPR1B (rs28632197 и rs33911258)), а также ген-средовых взаимодействий в формировании индивидуальных различий в системе саморегуляции поведения у 692 психически здоровых индивидов с учетом половой и этнической принадлежности. В результате статистического анализа была выявлена ассоциация аллеля rs1042615*A гена AVPR1A с повышенными показателями по шкале моделирования в группе женщин (β = 0,212; r2 = 0,008; P = 0,039) и в этнической группе удмуртов (β = 0,41; r2 = 0,032; P = 0,044), а также ассоциация аллеля rs28632197*A гена AVPR1B с повышенными показателями по шкале программирования в этнической группе татар (β = 0,467; r2 = 0,023; P = 0,022). Кроме того, выявлен модулирующий эффект таких факторов, как «жестокое обращение», «табакокурение», «место рождения (сельская местность)», «состав семьи (неполная семья)» и «порядок рождения (третий ребенок и младше)», в случае ассоциации полиморфных локусов rs1042615, rs3803107, rs28632197 и rs33911258 с индивидуальными различиями в системе саморегуляции поведения (P < 0,05).

Ренин-ангиотензин-альдостероновая система играет важную роль в процессах, ответственных за формирование инфаркта миокарда (ИМ). Она задействована в регуляции окислительного стресса, в развитии дисфункции эндотелия и воспалительном ответе, в дестабилизации атеросклеротической бляшки, регуляции тонуса сосудов и объема циркулирующей крови. При этом значительная часть этих эффектов опосредуется через молекулы JAK/STAT сигнального пути и ядерного фактора NF-kappa-B1. Цель настоящего исследования состояла в анализе ассоциаций ИМ с сочетаниями аллелей/генотипов по полиморфным маркерам rs310216*JAK1, rs12693591*STAT1, rs3212780*JAK3, rs2293152*STAT3, rs28362491*NFKB1, rs4762*AGT, rs2368564*REN, rs4343*ACE, rs5186*AGTR1, rs1800875*CMA1, rs4491175*LINC02748, rs1799998*CYP11B2, rs2285666*ACE2, rs1403543*AGTR2. Материалом для исследования были ДНК больных, перенёсших ИМ в возрасте до 45 лет (144) и контрольной группы (152). Все участники исследования были мужчинами, русскими по этнической принадлежности. Поиск сочетаний проводился с помощью ПО APSampler. Критериями отбора сочетаний были: значение P<0.05 после поправки на множественность сравнений (процедура Бенджамини-Хохберга FDR) и значение показателя OR более 3 для маркеров повышенного риска и менее 0.3 для протективных маркеров. В результате проведённого анализа выявлены сочетания, ассоциированные как с повышенным, так и с пониженным риском ИМ в которых встречаются аллели следующих полиморфных маркеров rs5186*AGTR1, rs2368564*REN, rs4491175*LINC02748, rs1800875*CMA1rs2285666*ACE2, rs1403543*AGTR2, rs12693591*STAT1, rs3212780*JAK3, rs2293152*STAT3.

Бронхиальная астма (БА) представляет собой одно из наиболее распространенных хронических респираторных заболеваний. Гистамин является центральным медиатором воспаления, играющим важную роль в обструкции дыхательных путей и бронхиальной секреции. Эпигенетические исследования больных БА подтверждают связь между эпигенетической регуляцией экспрессии генов и патогенезом данного заболевания. В последние годы выявляется все больше дифференциально метилированных CpG-сайтов, ассоциированных с риском развития и особенностями клинического течения БА. Целью данной работы был cравнительный анализ степени метилирования промоторных областей генов гистаминовых рецепторов HRH1 и HRH2 между больными БА и индивидами контрольной группы из Республики Башкортостан (РБ). В качестве материала исследования использованы образцы ДНК, выделенные из периферической крови 157 больных БА и 155 индивидов контрольной группы до 18 лет русской и татарской этнической принадлежности. При MS-HRM-анализе промоторной области гена гистаминового рецептора 1 типа HRH1 выявлено, что уровень метилирования данного региона варьирует от 90% до 100%. Обнаружена значительно более высокая частота встречаемости полного метилирования (100%) промоторного региона гена HRH1 у пациентов с БА по сравнению с контрольной выборкой. При MS-HRM-анализе промоторного региона гена гистаминового рецептора 2 типа HRH2 показано, что уровень метилирования данной области составляет от 0% до 10%; достоверных различий в частоте встречаемости различных уровней метилирования у детей с БА и индивидов контрольной группы не установлено. Таким образом, обнаружено дифференциальное метилирование промоторной области гена HRH1 между больными БА и контрольной группой, подтверждающее вовлечение эпигенетического механизма метилирования ДНК в патогенез данного заболевания.

Симбиозы прокариот и эукариот рассмотрены как модели для анализа фундаментальных проблем генетики и эволюционной биологии, включая соотношение редукционистских и холистических подходов к исследованию биосистем. Использование симбиотических моделей позволяет изучать возникновение и эволюцию: 1) клеточных форм жизни; 2) мульти-геномных эукариотических клеток; 3) многоклеточных эукариот как холобионтов, в которых симбиотические микробные сообщества обеспечивают хозяевам питание, защиту от антагонистов и стрессов, а также регуляцию развития. Показано, что эколого-генетические факторы образования надвидовых комплексов выходят за рамки Дарвиновской парадигмы адаптивной эволюции, основанной на накоплении малых изменений, поддерживаемых индивидуальным отбором. Эволюция мутуалистического симбиоза включает: а) межвидовой альтруизм, связанный с формированием симбионтами неспособных к размножению клеточных форм, выполняющих полезные для хозяев функции; б) пангенезис, определяемый вертикальной передачей симбионтов как приобретенных хозяевами наследственных детерминант, которые входят в состав хологеномов и могут служить донорами генов, переносимых в ядерные хромосомы.

Изучено содержание запасных белков в семенах видов пшениц, различающихся уровнем плоидности и геномным составом. Показано, что содержание белка в зерновках может варьировать в три раза. Усреднение данных по разным видам и группировка их в зависимости от плоидности и геномного состава не выявила значительных различий в суммарном содержании белка, но по фракционному составу группы видов различались. Диплоидные и гексаплоидные виды значительно отличались по содержанию отдельных фракций белков, тогда как тетраплоидные виды имели промежуточное значение. Пшеница спельта, характеризующаяся высоким содержанием и качеством белка, является перспективным видом для возделывания, однако интерес представляют также виды с геномным составом AbG. Дискриминантный анализ данных показал, что виды с геномом AbG (T. timopheevii, T. militinae) отличались по характеристикам белка зерновок от других групп видов.

В длительном эксперименте изучено влияние ионов меди (100 и 200 μM CuSO4) на активность пероксидаз III класса, уровень экспрессии гена PRX в корне и стебле ювенильных растений циннии. Показано, что увеличение содержания ионов меди в корневой системе сопровождалось увеличением содержания пероксида водорода, что приводило к росту активности нейтральной гваяколовой пероксидазы (ГПО) и кислой бензидиновой пероксидазы (БПО). Увеличивалось также относительное количество транскриптов гена PRX. Это приводило к усилению лигнификации и росту содержания лигнина Класона. В стебле содержание меди у опытных растений было сопоставимо с уровнем в контроле. Усиление активности пероксидаз способствовало снижению количества пероксида водорода в этом органе и сопровождалось компенсаторным повышением содержания лигнина. Увеличение уровня экспрессии гена PRX позволяет предположить его роль в формировании устойчивости растений к продолжительному действию ионов меди за счет усиления лигнификации клеточных стенок.

В условиях гипоксии растения приспосабливаются к недостатку кислорода в субстрате, в том числе с помощью лизигенной аэренхимы в корнях. Хотя формирование лизигенной аэренхимы известный процесс, ее образование на разных этапах развития растений изучено недостаточно. В данной работе изучено формирование аэренхимы в корнях ячменя в условиях водной культуры в течение 30 дней вегетативной фазы роста. Показано, что аэренхима в первичных корнях начинает образовываться на 7 день, и к 30 дню ее объем в коре значительно увеличивается, особенно в базальной части корня. Содержание H2O2 возрастает от базальной зоны корня к апикальной, увеличиваясь в 3-4 раза к 30 дню роста во всех участках корня. Показана высокая активность гваяколовой пероксидазы (ГП) на 27 – 30 дни, что совпадает с активным формированием аэренхимных лакун. Супероксиддисмутаза проявляет наибольшую активность раньше, чем ГП, и, вероятно, принимает участие в начальных этапах формирования лакун. Четкой зависимостью между антиоксидантными ферментами и H2O2 не обнаружено, вероятно, ввиду участия других процессов синтеза и утилизации H2O2.

В последние десятилетие появились работы, в которых предлагается использовать гены восприимчивости пшеницы к патогену Stagonospora nodorumBerk. (Snn) как молекулярные маркеры для маркер-ориентированной селекции. Взаимоотношения в патосистеме «пшеница – S. nodorum» осуществляются по типу «ген-на-ген» в зеркальном отражении, т.е. взаимодействие некротрофных эффекторов гриба SnTox с продуктами генов восприимчивости хозяина Snn ведет к развитию болезни. В работе были изучены взаимодействия SnToxА-Tsn1 и SnTox1-Snn1, которые играют важную роль в развитии септориоза у мягких и твердых пшениц. С помощью геноспецифичных праймеров к генам восприимчивости Tsn1 и Snn1 проведен ПЦР-анализ образцов полиплоидных видов пшениц рода Triticumи стародавних сортов T. aestivum из коллекции генетических ресурсов растений ВИР (ГРР ВИР) на устойчивость к Stagonospora nodorum. Оба доминантных аллеля геновTsn1и Snn1 были обнаружены у тетраплоидной пшеницы T. durum х-46 и двух яровых стародавних сортов Selkirk и Salamouni. Доминантная аллель гена Snn1 была выявлена у четырех исследуемых стародавних сортов мягкой пшеницы озимого и ярового типа развития. Первичный скрининг 12 образцов из коллекции ГРР ВИР выявил два устойчивых образца среди тетраплоидных видов пшениц T. militinae к-59942 и T. timopheevii к-58666 и три устойчивых сорта гексаплоидной пшеницы T. aestivum с озимым типом развития Мироновская 808, Amelio и Susquehanna. Данные образцы являются перспективным источником для интрогрессии генов в культурные пшеницы и материалом для селекции новых сортов пшениц.

Механизм РНК-интерференции (РНКи) и малые РНК в настоящее время интенсивно изучаются и рассматриваются как важные регуляторы перепрограммирования экспрессии генов в иммунных реакциях растений и вирулентности патогена или вредителя. При этом проблемой является нехватка знаний о механизмах работы РНКи в клетках насекомых и растений при их взаимодействии. В данной работе была изучена обыкновенная черемуховая тля Rhopalosiphum padi L., которая распространена повсеместно и является олигофагом. Проведенные тесты на антибиоз и выносливость показали, что образцы ряда видов пшениц разного уровня плоидности T. monococcum к-39471 и T. timopheevii к-58666, из коллекции ГРР ВИР и сорт мягкой яровой пшеницы Жница были устойчивыми к R.padi. Сорта Омская35 и Салават Юлаев проявили сильную и среднюю восприимчивость по отношению к R.padi, соответственно. Гены системы РНКи были активированы гораздо сильнее у восприимчивых генотипов, чем у устойчивых образцов. Транскрипционный анализ генов ферментов системы РНКи и генов транскрипционных факторов (ТФ) показал, что AGO4 иDCL2 предположительно могут иметь решающее значение в регуляции защитного ответа на заселение R.padi посредством влияния на ТФ салицилатного и этиленового сигнальных путей.

Представители рода Pantoea положительно влияют на рост и развитие растений. В геноме штамма P. brenneri 3.5.2 выявлены гены и генетические кластеры, отвечающие за их множественные PGP-свойства, подтвержденные ранее биохимическими и микробиологическими методами. Штаммы способны к гидролизу почвенных фитатов, а также проявляют активность в отношении неорганических почвенных фосфатов: гидроксиапатита, фосфорита и трикальцийфосфата. Обнаружены гены gcd и pqqE, отвечающие за продукцию глюконовой кислоты, участвующей в процессах мобилизации фосфора. При росте на средах с различными источниками недоступного фосфора штаммы P. brenneri были способны к секреции кислой и щелочной фосфатаз, активность которых зависела от времени культивирования бактерий и источника фосфата в среде.

Withania somnifera (L.) Dunal – Витания снотворная, называемая также ашвагандой или индийским женьшенем - растение, широко используемое в традиционной восточной медицине. Современные научные исследования подтверждают применимость витанолидов и других веществ, содержащихся в корнях витании, в лечении различных заболеваний. Однако огромные масштабы сбора W. somnifera для использования в традиционной медицине на данный момент ставят вид под угрозу вымирания. Поскольку это растение требовательно к климатическим условиям, наиболее перспективным представляется выращивание культуры "волосовидных корней" (hairy roots) W. somnifera в биореакторах. Несомненным преимуществом данного метода является получение биоматериала высокой степени чистоты, со стабильным содержанием биологически активных веществ. Было накоплено большое количество данных об оптимальных условиях культивирования корней W. somnifera как для ускоренного накопления биомассы, так и для повышения содержания витанолидов, а также о методах их экстракции. Совокупность научных данных позволяет говорить о перспективности производства из витании фармацевтических препаратов для лечения широкого спектра заболеваний.

Цитоплазматическая мужская стерильность (ЦМС) типа 9Е сорго относится к числу типов мужской стерильности, у которых восстановление фертильности регулируется, наряду с генотипом, условиями внешней среды, а именно, влагообеспеченностью растений и влажностью воздуха накануне и в период цветения. Для исследования закономерностей генетического контроля и понимания механизмов эпигенетических процессов, регулирующих восстановление фертильности в данном типе ЦМС, важной задачей является идентификация генов-восстановителей (Rf-9E). Для решения данной задачи нами проведена работа по выявлению молекулярных маркеров, ассоциированных с генами Rf-9E, у растений популяции BC1[(9Е Пищевое 614 × 84/19) × Пищевое 614]. Всего в работе было испытано 55 SSR-маркеров, картирующих все 10 хромосом генома сорго. Обнаружено, что SSR-маркеры, локализованные на 2 хромосоме генома сорго, sam60498 (23911554 … 23913675 п.н.) и sam37585 (33055782 … 33056867 п.н.), демонстрируют значимую ассоциацию с восстановлением мужской фертильности в исследуемой популяции. Анализ in silico референсного генома сорго S. bicolor (BTx623) показал, что вблизи данной области, включающей более 9 млн. п.н., располагается область прицентромерного гетерохроматина, а также присутствуют два PPR-гена: 002G142700.1 и 002G144300.1: на позициях 23465796 … 23468350 и 23810047 … 23812824, соответственно. Учитывая, что подавляющее большинство клонированных генов Rfу разных видов растений, включая сорго, содержат последовательности PPR-генов, то выявленные нами SSR-маркеры действительно могут являться молекулярными маркерами генов-восстановителей ЦМС типа 9Е. Обсуждается гипотеза о связи локализации генов-восстановителей ЦМС 9Е вблизи гетерохроматина с «влагозависимым» характером экспрессии восстановления мужской фертильности в этом типе ЦМС.