ИСТИНА

Изучение адаптивной способности растений к изменяющимся условиям окружающей среды – одна из важнейших задач генетики развития. Ключевыми вопросами в этой области являются идентификация генов, вовлеченных в процесс холодовой адаптации, исследование их функций, способы восприятия и передачи сигнала. Знание механизмов адаптации и устойчивости к холоду имеет не только фундаментальное, но и потенциальное практическое значение. Низкие температуры являются основным фактором, ограничивающим области культивирования теплолюбивых растений, а также периодически приводящим к потере урожая при неожиданном похолодании. В то же время создание трансгенных растений, несущих несвойственные данному виду гены либо сверхэкспрессирующие собственные «полезные» гены, успешно используется для увеличения хозяйственной ценности культур. Проект направлен на изучение роли хлоропластных сигналов в контроле холодового ответа у арабидопсис, а также на изучение функции нового гена NFZ24, который регулирует взаимодействие транскрипционных факторов и промоторов целевых генов CBF-регулона Arabidopsis thaliana (L.) Heynh., влияя на передачу сигнала холодового ответа от хлоропласта к ядру. Работа будет проводиться с использованием генетических, молекулярних ибиоинформатических методов на мутантах арабидопсис, полученных путем химического мутагенеза на кафедре генетике МГУ и зарубежом. Использование методов классической генетики и молекулярной биологии, а также методов анализа экспрессии генов ретроградного сигнального пути будет способствовать раскрытию новых механизмов устойчивости к холоду, обусловленных взаимодействием ядра и пластид.

In the post-genome era, one of the main problems of plant genetics is to identify functions of genes. A massive change in gene expression is an important component of the cold acclimation process (Thomashow, 1999). Around one thousand genes have been found to be differentially expressed following cold exposure in the model plant Arabidopsis thaliana. Transcriptional re-programming occurs during cold acclimation to induce expression of around 100 cold-regulated (COR) genes, responsible for producing cryoprotective molecules. Central to this transcriptional regulation are the CBF (C-repeat- binding factor) genes that encode AP2/ERF family transcription factors (Gilmour et. al., 2000). A general scheme of genetic control of cold stress responses can be represented as a network of transcription factors and genes that are directly responsible for morphological changes leading to cold resistance. It is well known that there are two main pathways of cold response: ABA-dependent and ABA-independent. There is also an intersection between abiotic and biotic response pathways as well as between different kinds of abiotic response pathways such as cold, degidratation and hight light (Kurbidaeva and Novokreshchenova, 2011). However, functions of most cold response genes are still not found. On the other hand, the agricultural range of many important crop species is limited by their maximum freezing tolerance capacity, and freezing stress- related damage can result in considerable crop productivity losses (Pino et.al., 2008).

1. Устойчивость акклиматизированных и не акклиматизированных линий мутантных растений к холодовому стрессу будет исследована методами утечки электролитов и анализа особенностей развития мутантных растений в условиях субоптимальных температур; 2. С целью детального изучения функции гена NFZ24, выявленного в ходе выполнения проекта РФФИ-№ 07-04-12077-офи будет в том числе исследована его экспрессия в ответ на холодовой стресс в разных расах арабидопсис методом количественной полимеразно-цепной реакции в реальном времени. Для этого будут использованы представители рас умеренной зоны, рас южных регионов с островов Зеленого Мыса и представители северного ареала обитания арабидопсис из Карелии (РФ), имеющиеся в нашей лаборатории; 3. С целью изучения причины разрыва в регуляторной цепи CBF-COR в мутанте nfz24 будет изучена экспрессия генов-участников ретроградного сигналинга (ABI4, LHCB2.4, clpP, psbA, GUN1, STN7, EX1, LHCB1.1, GUN5), а также генов, кодирующих субъединицы медиаторного комплекса (MED2, MED14, MED16) в мутанте и диком типе расы Dijon; 4. Для включения в генетическую сеть взаимодействия хлоропласта и ядра в ответ на холодовой стресс будет исследована экспрессия генов-участников ретроградного сигналинга (ABI4, LHCB2.4, clpP, psbA, GUN1, STN7, EX1, LHCB1.1, GUN5) в мутантных растениях nfz24 по сравнению с растениями дикого типа расы Dijon в ответ на холодовой стресс. 5. С целью включения в генетическую сеть взаимодействия хлоропласта и ядра в ответ на холодовой стресс будет исследована экспрессия генов, участников ретроградного сигналинга (ABI4, LHCB2.4, clpP, psbA, GUN1, STN7, EX1, LHCB1.1, GUN5) в ответ на различное по длительности воздействие холода в растениях дикого типа; 6. Для детализации генетической сети холодового ответа будет проанализирована экспрессия генов CBF-регулона (CBF1,2,3; COR15a, COR47, COR78) в мутантных линиях арабидопсис ex1, gun1, gun4, gun5, stn7, stn8, abi4 и растениях дикого типа; 7. Для установления характера экспрессии генов медиаторного комплекса (MED2, MED14, MED16) будет проанализирована их экспрессия в ответ на стрессовые условия в растениях дикого типа; 8. Для анализа особенностей экспрессии гена NFZ24 в нормальных условиях роста и при воздействии стрессовых факторов будут созданы генные конструкции с репортерными (GUS, GFP) под контролем промоторных и регуляторных участков гена NFZ24. Эти конструкции будут переданы с помощью трансформации в геном растений дикого типа, что позволит провести детальный анализ экспрессии гена в онтогенезе и при стрессовых воздействиях.

Впервые показана важная роль генов, вовлеченных в разные пути ретроградного сигналинга, в развитии адативного ответа растений арабидопсис на холодовой стресс. Установлено, что мутации в генах RpoTp, RpoTmp, CP29A CP31A, CCH, GUN5, EX1, STN7, STN8 приводят к снижению жизнеспособности растений в условиях холодового стресса. Чувствительность к холоду подтверждена анализом утечки электолитов и существенным снижением экспрессии генов CBF-регулона, контролирующих развитие защитного ответа на гипотермию и заморозки.