Поиск - новости науки и техники

За фиолетовые нивы? Сибирские ученые помогают зерновым культурам противостоять неблагоприятным условиям.

Нет предела совершенству! Ученые, казалось бы, немало сделали для того, чтобы улучшить питательные свойства злаковых, уменьшить порог их восприимчивости к вредным внешним факторам, увеличить сроки хранения зерна. Но, оказывается, можно получить более весомые результаты, качественно изменяя сами растения, помогая им вырабатывать для себя защитные соединения. Заведующий сектором функциональной генетики злаков Института цитологии и генетики СО РАН, доктор биологических наук Елена Хлесткина “учит” растения синтезировать антиоксиданты. Ее проект “Регуляторные гены биосинтеза флавоноидов злаков и их роль в увеличении продолжительности жизни семян и устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды” получил грант Президента РФ.  

– Флавоноиды – это большая группа природных биологически активных соединений растительного происхождения, – рассказывает о своей работе Елена Константиновна. – Пристальное внимание биохимиков, генетиков, ботаников, физиологов к таким веществам вызвано разнообразием их функций и свойств. Эти природные антиоксиданты нейтрализуют разрушительные активные формы кислорода, образующиеся в процессе старения клеток и в результате воздействия на организм неблагоприятных факторов окружающей среды.
Флавоноидные пигменты ярко раскрашивают цветы, привлекая к ним насекомых-опылителей, а листья растений защищают от избыточного УФ-излучения. Попадая в организм человека в составе растительной пищи, эти соединения оказывают благоприятное воздействие на кровеносную и пищеварительную системы, обладают антимикробным и антиоксидантным действием. В связи с этим определенный интерес представляют богатые флавоноидами сорта злаков. Например, сегодня активно ведутся генетические и биохимические исследования “черного” риса (на самом деле – темно-фиолетового из-за наличия в нем флавоноидных пигментов антоцианов).
Ждут своей очереди ячмень и пшеница. Есть, скажем, сорта пшеницы с фиолетовой окраской (в нашей стране они не возделываются), которые используются в хлебопекарной промышленности. Эксперименты на модельном растении (Arabidopsis thaliana) показали, что семена с такой окраской лучше сохраняют всхожесть по сравнению с линиями, у которых биосинтез антоцианов нарушен. Обладают ли таким же свойством окрашенные флавоноидными пигментами семена ячменя и пшеницы? Если да, то на это стоит обратить внимание. У некоторых сортов пшеницы и ячменя подобными пигментами могут быть окрашены и другие части растения – стебель, лист, колос. Биосинтез антоцианов усиливается при воздействии неблагоприятных факторов окружающей среды (засуха, засоление, содержание в почве ионов тяжелых металлов). Являются ли сорта с генетически детерминированной окраской более устойчивыми к таким стрессам, чем родственные им, но неокрашенные формы? Для ответа на этот вопрос и для изучения взаимосвязи между фиолетовым цветом зерен и их способностью сохранять всхожесть требуется проведение аккуратных исследований на генетических моделях. Нельзя просто взять два далеких друг от друга по родословной сорта, различающихся по окраске, сравнить и сделать вывод о влиянии пигментов на какие-то физиологические процессы.
Чтобы отсечь влияние десятков других генов, нужно получить специальные линии – мутантные или изогенные, имеющие практически полностью схожий геном. Работы по получению таких линий пшеницы когда-то активно велись в нашем институте, но это был трудоемкий процесс – на создание каждой линии уходило 10 лет и более. Сейчас благодаря современным молекулярным методам исследования можно контролировать передачу генетического материала при скрещивании с помощью ДНК-маркеров. Это в разы ускоряет процесс и делает его более точным. Важно, что полученные модели злаковых растений можно использовать не только для сравнительного изучения каких-то физиологических процессов и характеристик, но и для того, чтобы понять иерархию генов, влияющих на тот или иной процесс, выделить ключевые, охарактеризовать их структуру. Полученные знания позволят в перспективе “управлять” важными с практической точки зрения генами, сделать более эффективным процесс создания новых улучшенных сортов растений.
– Какие исследования в этом направлении ведете вы?
– Наш проект направлен на создание новых форм пшеницы и ячменя, несущих различные комбинации генов биосинтеза флавоноидов, выделение и изучение с их помощью ключевых регуляторных генов и установление их влияния на продолжительность жизни семян и стрессоустойчивость растений.
Регуляторные гены контролируют биосинтез тех или иных классов флавоноидных соединений в тканях на разных стадиях развития растений и определяют фенотипическое разнообразие растений по признакам окраски. Их непосредственная функция состоит в регуляции активности других структурных генов, вовлеченных в процесс биосинтеза и кодирующих ферменты, необходимые для синтеза флавоноидных соединений. До начала проекта наш исследовательский коллектив внес существенный вклад в изучение структурных генов биосинтеза флавоноидов пшеницы. Кроме того, мы картировали (определили точное расположение на хромосомах пшеницы) генетические локусы, определяющие различия между разными сортами пшеницы по окраске зерна, колоса, стебля и других частей растения. Наши результаты вошли в международный каталог генов пшеницы. Замечу, что геном самой популярной злаковой культуры имеет большой размер и сложную организацию. Его изучение – непростой процесс даже в эпоху широкомасштабного секвенирования различных организмов. До сих пор выделено и охарактеризовано не более 20 регуляторных генов, контролирующих различные признаки пшеницы.
– Что вам предстоит сделать в ходе исследования по проекту, поддержанному президентским грантом?
– Работа над проектом и успешное выполнение поставленных задач требуют четкой организации исследовательского процесса. Эксперименты с растениями осуществляются на трех различных площадках: в естественных полевых условиях, в искусственных с использованием гидропонной системы (способ выращивания растений без почвы) и в специальных климатических камерах. Все работы проводятся в четко установленные сроки. Мы не можем позволить себе пропустить ни один вегетационный период, ведь на выполнение проекта отведено два года. За это время можно изучить не более шести поколений ячменя или пшеницы (для сравнения: это в два с половиной раза меньше, чем число поколений модельного растения Arabidopsis thaliana, и на порядок меньше, чем число поколений дрозофилы, за такой же период времени). Каждое поколение – это новые скрещивания, получение новых генотипов и их отбор. Чтобы выделить растения для скрещиваний, мы проводим анализ ДНК с помощью специально подобранных маркеров еще до того, как проявится нужный признак. Это позволяет не откладывать процесс гибридизации (скрещивания) растений на следующий вегетационный период.
Параллельно с экспериментами по выращиванию и гибридизации растений идет работа в лаборатории – выделение ДНК и РНК растительных образцов и их анализ методами секвенирования, ПЦР (полимеразная цепная реакция). Компьютерная обработка полученных результатов тоже очень важная часть исследовательского процесса. Разнообразие экспериментальных задач и подходов требует четкой и слаженной работы коллектива и заставляет подстраиваться под реалии, связанные с поставкой реактивов. В большинстве случаев их можно получить только под заказ из-за рубежа, на это уходит больше трех месяцев. В связи с этим некоторые эксперименты мы заранее планируем на второе полугодие, а в первой половине года выполняем другие задачи проекта, поэтому работа никогда не стоит на месте.
– Что уже сделано к моменту получения гранта и что планируете на ближайшие годы?
– Мы охарактеризовали с помощью ДНК-маркеров имеющиеся исходные растения, провели первые скрещивания и отбор для получения новых линий. К началу следующего года уже будет готов материал для сравнительных физиологических экспериментов. Провели предварительные тесты на продолжительность жизни семян, используя имевшиеся к началу работы изогенные линии пшеницы. В таких экспериментах используется метод искусственного старения зерен, разработанный международной организацией по тестированию семян (ISTA). Полученные результаты показали, что после старения всхожесть семян, окрашенных антоцианами, на 20% выше, чем у линий без этого пигмента. В 2014 году поставим более масштабный эксперимент с использованием новых линий пшеницы и изогенных линий ячменя. Сделаем тесты не только на всхожесть после старения, но и на устойчивость к засухе и холодовому стрессу.
Также мы выделили из генома пшеницы новое семейство регуляторных генов, кодирующих MYC-подобные факторы регуляции биосинтеза флавоноидных пигментов антоцианов. Эти важные результаты будут доложены в этом году на Международном симпозиуме по генетике пшеницы в Иокогаме.
Доказано, что один из выделенных генов контролирует биосинтез антоцианов в оболочке зерна. Он отсеквенирован полностью. Работа по изучению структуры и функции других гомологов из этого семейства продолжается. В следующем году планируется исследование активности выделенных регуляторных, а также структурных генов биосинтеза флавоноидов в различных тканях у вновь созданных линий пшеницы. На завершающем этапе работы будет проведена реконструкция генной сети биосинтеза флавоноидов ячменя и пшеницы.
– А если заглянуть в будущее? Вы планируете и дальше заниматься вашей темой?
– Хотелось бы продолжить генетические исследования стрессоустойчивости злаковых растений в рамках астробиологии. В свете развития программ по освоению Марса станут актуальными вопросы, связанные с защитой биологического материала во время длительной транспортировки, сохранением их всхожести, со стрессоустойчивостью растений, культивируемых в искусственных условиях, пусть даже и максимально приближенных к земным. Для работ в этом направлении нам, конечно, потребуются новые экспериментальные площадки и участие в междисциплинарных проектах, но, главное, есть стремление и есть хорошая основа в виде накопленного опыта и полученных генетических моделей злаковых растений.

Василий ЯНЧИЛИН
Фото предоставлены С.Хлесткиной

Нет комментариев