Лаборатория генетики и эволюции бобовых растений

Институтa цитологии и генетики

Ранее - Сектор экспериментального моделирования эволюционных процессов

В 1988 г. коллектив, руководимый В.А. Бердниковым, выделился из лаборатории эволюционной генетики в самостоятельную группу молекулярных механизмов эволюции и селекции. В 1990 г. группа была преобразована в лабораторию Экспериментального моделирования эволюционных процессов. Выделение коллектива последовало вскоре после того, как логика его научной работы привела к смене объекта и характера экспериментальной деятельности. Если раньше проводились в основном сравнительно-биохимические исследования различных групп животных и растений, то к 1985 году коллектив сосредоточился на генетической работе с горохом посевным.

Первоначально основной задачей коллектива было изучение возможной роли лизин-богатых гистонов в функционировании хроматина in vivo, однако со временем внимание было сосредоточено на исследовании изменчивости молекул гистонов Н1 и Н5, ее размаха, закономерностей и возможного эволюционного значения. Полученные в лаборатории свидетельства адаптивного характера межвидовой изменчивости этих белков и результаты исследования внутривидового полиморфизма по ним показали, что изменения в молекуле Н1 может оказывать мягкое плейотропное влияние на фенотип организма. Сформулированное предположение о том, что гены гистона Н1 могут быть вовлечены в разнообразные адаптивные процессы в качестве полигенов общего действия определили обращение лаборатории к проблемам теории эволюции. В результате В.А. Бердниковыми была предложена теория, делающая попытку объяснить причины и динамику макроэволюционных тенденций, традиционно называемых прогрессивными. Под действием этого обращения к теории была сформулирована новая стратегическая цель исследований - создание генетических конструкций, обеспечивающих высокий уровень изменчивости по многим количественным признакам (в частности, создание искусственной В-хромосомы), с помощью которых можно воспроизвести реальные эволоюционные процессы, но с гораздо большей скоростью, допускающей экспериментальное исследование. Это определило переориентацию лаборатории на генетическую работу с посевным горохом, в которой главное место отводится хромосомной инженерии с использованием структурных перестроек кариотипа, леталей и биохимических маркеров. В ходе этой работы создаются удобные конструкции, подобные применяющимся в генетике дрозофилы.

Были получены свидетельства в пользу существования адаптивной составляющей межвидовой изменчивости гистона Н5 у птиц и Н1 у насекомых и выявлены случаи внутривидового полиморфизма по этим белкам. Особенно высокий уровень полиморфизма по гистону Н1 был найден у бобовых растений, что дало уникальную возможность исследования влияния изменения молекулы этого белка на фенотип и приспособленность организма. Изучены закономерности географического распространения аллелей у горошка однопарного, чины посевной и гороха посевного, в котором найдены свидетельства действия на них естественного отбора. Прямые опыты по сравнению специально созданных изогенных линий гороха, различающихся лишь очень небольшими участками генома, содержащими разные аллели генов Н1, показали, что аллельные замещения в них оказывают небольшое, но значимое влияние на ряд количественных признаков. В ходе генетической работы с горохом был сделан значительный вклад в частную генетику этого важного сельскохозяйственного объекта: индуцирован и локализован ряд новых мутаций и существенно пересмотрена генетическая карта, которая пока еще находится в процессе становления. Синтезировано несколько генетических конструкций, позволяющих проводить тонкие генетическиа эксперименты.

В лаборатории предложена теория мобилизующего отбора, действующего на межвидовом уровне и обуславливающего прогрессивные макроэволюционные тенденции.

В 2005 г. заведующий лаборатории В.А. Бердников вышел на пенсию, а ее название изменено на "Лаборатория генетики и селекции бобовых растений". К этому моменту в лаборатории были получены следующие результаты:

1. Был практически завершен более чем двадцатипятилетний цикл оригинальных исследований влияния молекулярных изменений гистона Н1 на фенотипические признаки и роли изменчивости этого белка в адаптивной эволюции. Была разработана модель для исследования фенотипических эффектов замещения аллельных вариантов гистона Н1, представляющая собой нескольких наборов изогенных линий посевного гороха, а также посевной чины и обыкновенной чечевицы. Было исследовано три таких набора. Во-первых, проведено сравнение пары изогенных линий чечевицы, различающихся аллельными вариантами наиболее мощного субтипа 1, причем один из них возник вследствие недавней мутации. Были выявлены небольшие, но достоверные различия по многим количественным признакам. Во-вторых, в нескольких широкомасштабных экспериментах исследовалось влияние замещений аллельных вариантов самого электрофоретически мобильного субтипа Н1 на количественные признаки растения. Характерная особенность этого субтипа состоит в том, что он присутствует только в молодых, активно растущих тканях. Было обнаружено, что эти замещения значимо влияют прежде всего на скорость роста растений, тогда как эффект на дефинитивные признаки гораздо слабее. В-третьих, показано отсутствие влияния замещений в локусе субтипа 1 гистона Н1 на проявление слабого аллеля гомеозисного гена Uni^tac, понижающего уровень ветвления сложного листа, тогда как ранее мы обнаружили существенный эффект этих замещений (около 20%) на проявление другого гомеозисного гена, Tl, в гемизиготе. Эти результаты свидетельствуют об избирательности эффекта структурных изменений молекулы гистона Н1.

   У трех субтипов гистона Н1 гороха была расшифрована нуклеотидная последовательность аллелей. Различия между аллельными вариантами связаны с заменами аминокислот, а также делециями/дупликациями. Выяснилось, что при формировании аллелей субтипа 1 гороха и чечевицы важную роль играла внутригенная конверсия специфических гексапептидных повторов С-терминального домена молекулы.

    

2. Предложена новая гипотеза о формировании В-хромосом у растений через стадию третичной трисомии, за счет компенсации гаметофитных леталей дополнительной хромосомой транслокационного происхождения. Предполагается, что процесс сопровождается естественым отбором на снижение генного дисбаланса и повышение вероятности передачи дополнительной хромосомы гаметами. В ходе проверки гипотезы была разработана уникальная экспериментальная модель, представляющая собой серию стабильных трисомных линий посевного гороха, несущих дополнительную минихромосому, происходящую из транслокации Хаммарлунда - старейшей транслокации в истории генетики. В одной из линий, потомство которой представлено исключительно трисомиками, проведен отбор на повышение плодовитости, в результате которого наблюдался значительный ответ как по селектируемому признаку, так и по общей жизненности растений, что можно интерпретировать как отбор спонтанных мутаций, уменьшающих генный дисбаланс. Дальнейшее сокращение генетического содержания минихромосомы путем экспериментального мутагенеза и отбора может превратить ее в удобный хромосомный вектор для генетической трансформации гороха. Его можно будет использовать для накопления хозяйственно значимых трансгенов, после чего одномоментно передавать их единым блоком в другие генотипы путем скрещивания и короткого периода бэккросса. Кроме того ожидается, что оптимальная доза дополнительной хромосомы в геноме будет легко регулироваться естественным отбором в ходе эксплуатации сорта.

    

3. Проведена попытка реконструкции генетической системы, контролирующей развитие сложного листа гороха. Показано, что "исходным состоянием" (ground state) для него является дваждыперистый лист, подобный листу примитивных семейств бобоцветных, а многочисленные регуляторные гены, контролирующие архитектонику листа гороха, направлены на снижение уровня ветвления и преобразование части листочков в специализированные опорные структуры - усики. В ходе данных исслеодваний путем экспериментального мутагенеза были получены и охарактеризованы более десятка новых мутаций и несколько новых гомеозисных генов, участвующих в генетическом контроле сложного листа. Особо следует отметить гены ins2 и tl2. Ген Ins2 является синергистом известного гена Afila и антагонистом гена Unifoliata. Характерной особенностью мутации ins2 является мягкое и варьирующее в пределах растения фенотипическое проявление. Это позволяет получить серию переходов между различными структурами листочков и прилистников, что, в сочетании с известными ранее мутациями, проясняет их гомологию и паттерны экспрессии различных генов, контролирующих развитие листа. Мутация tl2 уникальна в том отношении, что оказывает эффект на морфологию листа только в гетерозиготном состоянии, приводя к появлению тонкой ламины вдоль усиков (фенотип, аналогичный гетерозиготе по ранее известному гену tl/Tl), а в гомозиготе неотличима от нормы. В то же время, в гомозиготе она оказывает эффект на окраску венчика, делая ее зеленоватой. Высказано предположение о вовлечении гена Tl2 в программу развития сложного листа из системы генетического контроля синтеза антоциана.

    

В настоящее время (начало 2023 г.) основные исследования лаборатории сосредоточены на двух направлениях:

1. Изучение генетических основ конфликта ядра и цитоплазмы в отдаленных скрещиваниях гороха участием диких представителей рода Горох Все представители рода этого способны к скрещиваниям между собой, однако в отдаленных скрещиваниях мы нередко сталкиваемся с различной силы репродуктивными барьерами, которые проявляются в частичной стерильности пыльцы и семяпочек у гибридов первого поколения, а иногда и к нарушениям их пигментации и недоразвитию листьев и корней. Посредством генетического анализа с использованием молекулярных CAPS-маркеров и получением серии рекомбинантных инбредных линий мы выяснили, что у гороха такие барьеры как правило связаны с конфликтом геномов клеточного ядра и пластид. Совместив генетический анализ с высокопроизводительным секвенированием геномов клеточных органелл, нам удалось связать такой конфликт с несовместимостью белковых субъединиц, входящих в сложный ферментный комплекс – гетеромерную форму ацетил-коА карбоксилазы, ответственный за начальные стадии синтеза жирных кислот, одна из которых, AccD, кодируется геномом пластид, а остальные – в ядре. Проявления конфликта возникают, если субъединица, AccD, кодируемая в пластидном геноме, несовместима с молекулами, кодируемыми в ядре, из которых мы зафиксировали участие в конфликте субъединиц AccA и BccP, но скорее всего в некоторых случаях вовлекаются и иные. Поскольку клеточные органеллы наследуются в основном по материнскоей линии, такое бывает, если гибридное растение получает от отца ядерные гены соответствующих белков, продукты которых несовместимые с продуктами пластидного гена матери. Однако проявления конфликта часто бывают мозаичными, так что некоторые части аномального гибридного растения оказываются нормальными. Nакое случается вследствие того, что в оплодотворенную яйцеклетку попадает незначительное количество отцовских пластид, а в условиях конфликта они приобретают преимущество (так как кодируют белок, совместимый с отцовскими же белками, кодируемыми в ядре) и в некоторых частях растения составляют большинство пластид, или же все пластиды оказываются отцовскими. Основное, успешно завершенное исследование, выявившие участие одного пластидного и двух ядерных генов, кодирующих суъбединицы гетеромерной ацелил-коА карбоксилазы, было проведено с использованием линий VIR320 дикого подвида Pisum sativum subsp. elatius и тестерной линии WL1238, представляющей культурный подвид P. sativum subsp. sativum. В настоящее время мы изучаем генетическую основу репродуктивного барьера в скрещиваниях с другими дикими представителями рода, которая, по предварительным данным, имеет свои особенности.

    

2. Изучение филогеографии диких представителей рода горох Pisum L. Использование генетического разнообразия дикорастущих сородичей культурного гороха как возможных доноров хозяйственно полезных качеств имеет важное значение для селекции. Дикие представители рода горох и вида посевной (Pisum sativum L.) занимают огромный ареал, включающий все Средиземноморье и Переднюю Азию, от Португалии на западе до Туркменистана на Востоке и от Нормандии на севере до Марокко на юге. Однако на этой территории дикий горох редок, а его популяции обычно ничтожны по размеру, включая от нескольких сотен до нескольких десятков растений. При этом растения из разных популяций отличаются большим разнообразием внешних признаков без каких-либо очевидных географических закономерностей. Поскольку признаки, ценные для селекции, как правило, не имеют внешних проявлений, для их выявления первоначально следует разделить все многообразие дикого гороха на основные эволюционные линии с тем, чтобы в первую очередь исследовать небольшое количество представителей, максимально неродственных друг другу и представляющих основное генетическое разнообразие внутри рода. Поскольку внешние признаки дикого гороха не дают возможности выделить такие линии, в целях выяснения эволюционных отношений различных образцов целесообразно прибегнуть к методам молекулярной филогении. Мы собрали внушительную коллекцию дикого гороха и предприняли реконструкцию эволюционной истории различных образцов на основании последовательностей ДНК одного из ядерных генов. На основе этой реконструкции мы выбрали 64 из них и расшифровали полные геномы их пластид и митохондрий. Если филогенетические деревья, основанные на ядерном гене и на полных геномах пластид в целом соответствовали друг другу, то дерево, построенное на основе геномов митохондрий отличалось от них несколькими весьма очевидными несовпадениями. Налицо оказался ряд случаев вопиющего несоответствия эволюционных деревьев, построенных на основании геномов двух типов клеточных органелл, этими геномами обладающих – пластид и митохондрий, то есть эволюционная история пластид и митохондрий оказалась различна, хотя они суть органеллы одной и той же клетки. Более того, ближайшими родственниками культурного гороха в отношении пластидных и митохондриальных геномов оказались разные наборы диких образцов. Как же такое возможно? Как следует из наших исследований, описанных в предыдущем разделе, при некоторых отдаленных скрещиваниях гороха вследствие конфликта ядра и цитоплазмы возникают ситуации, когда митохондрии наследуются по материнской, а пластиды – по отцовской линии. Это может объяснить несоответствие эволюционных историй пластид и митохондрий в роде Горох, если допустить, что в ходе его эволюции имело место несколько событий гибридизации между не вполне родственными родительскими формами, сопровождающиеся конфликтом ядра и цитоплазмы. Этот конфликт оказал заметное влияние на эволюцию представителей рода Горох. Возможно, такое явление имеет общий характер и сопровождало эволюцию и других растений.

    

и.о. зав. лаб., д.б.н. О.Е.Костерин.

немного информации...

Научный штат:

• О.Э. Костерин, д.б.н.
• В.С. Булгакова (Богданова), д.б.н.
• Е.Ю. Власова
• А.Т. Огунлейе

В лаборатории работали:

• В.А. Бердников, к.б.н., основатель лаборатории
• Ф.Л. Горель, к.б..н.
• Ф.П. Свинарчук, к.б.н.
• С.М. Розов, к.б.н.
• Ю.А. Трусов, к.б.н.
• C.В. Темных, к.б.н.
• Э.Р. Галиева, к.б.н.
• А.В. Мглинец, к.б.н.
• О.О. Зайцева, к.б.н.
• В.И. Соловьев
• А.К. Ядрихинский
• С.Г. Удальева
• Т.А. Скрипкина
• Ю.Н. Никулина
• И.П. Лебедева
• Н.М. Горенштейн
• С.В. Неделькина, к.б.н.
• С.Н. Родин, д.б.н.
• К.К. Сидорова, д.б.н., проф.

Основные публикации:
(перечислены начиная с 1989 г.)

2023