Ученые изучили механизм сезонной листопадности у лиственницы сибирской — единственного вида семейства сосновых, способного сбрасывать хвою в осенний период. Технологии секвенирования нового поколения позволили изучить это явление на полногеномном уровне, выявить и сравнить молекулярно-генетические механизмы старения листьев и хвои у покрытосеменных и голосеменных растений. В научном проекте приняли участие исследователи Сибирского федерального университета (СФУ). Изучение эволюции сезонного старения в дальнейшем поможет ученым понять причины старения других организмов. Проект проходит в рамках программы мегагрантов Правительства РФ (реализуется Минобрнауки России).

В ходе эволюции как цветковые, так и некоторые голосеменные растения выработали особую адаптацию к зиме и неблагоприятным условиям обитания, известную как листопадность. Особый интерес для науки представляет лиственница сибирская (Larix sibirica Ledeb.) — единственное дерево из семейства сосновых (Pinaceae), способное сбрасывать хвою в осенний период.

Ученые провели сравнительный анализ геномов вечнозеленых и лиственных деревьев и обнаружили, что контролирующие белки гены, участвующие в метаболизме сахаров, в наибольших количествах представлены в геноме лиственницы сибирской.

По словам участника проекта, магистранта кафедры геномики и биоинформатики СФУ Анастасии Баталовой, один из генов, EXORDIUM LIKE 2, участвует в восприятии сигналов снижения доступности углерода. В процессе сезонного старения это способствует запуску рециркуляции клеточных компонентов посредством аутофагии — так называют процесс переваривания и повторного использования деградирующих компонентов клеток, естественную переработку отходов. Так растения экономят ресурсы, теряемые при сбрасывании хвои и необходимые для последующей генерации новой хвои весной. Другой ген, DORMANCY-ASSOCIATED PROTEIN 1 (DRM1), низкоспецифичный сенсор сахаров, также участвует в переходе растения в состояние физиологического покоя.

В геномах вечнозеленых растений, кроме того, наблюдается избыток генов, контролирующих белки, которые функционируют как иммунные рецепторы. Белки обеспечивают устойчивость к стрессам и патогенам и могут быть связаны с более длительной продолжительностью жизни хвойных деревьев. Это поддерживает роль иммунной защиты в регуляции продолжительности жизни листьев.

Еще одним важным выводом ученых стало разъяснение роли так называемых «защитных» генов — представители этого семейства контролируют богатые лейцином повторы рецептороподобных киназ (LRR-RLK). Вероятнее всего, именно они внесли основной вклад в различие между вечнозелеными и лиственными растениями.

«Генетическая регуляция сезонного старения, которой посвящено исследование, — это фундаментальная биологическая проблема, связанная с программируемой клеточной гибелью и продолжительностью жизни. На наш взгляд, очень важно понять эволюцию этих механизмов. Решение же проблемы генетической регуляции старения критически важно для новых открытий в биомедицине — в конечном счете, человечество всегда будет стремиться жить дольше. Геномные исследования самых разных организмов, в том числе и долгоживущих древесных видов, помогут решить вопросы долгожительства, возможно, в том числе и человека», — рассказал научный руководитель исследования, профессор кафедры геномики и биоинформатики СФУ Константин Крутовский.

Ученый отметил, что в дальнейшем планируется сравнительное изучение геномов дополнительных видов растительных организмов, которые могут предоставить более подробную информацию о генетических различиях между вечнозелеными и листопадными видами.

Концепция и методология исследования разработаны совместно красноярскими исследователями Анастасией Баталовой и Юлией Путинцевой (кафедра биофизики СФУ) и Михаилом Садовским (Институт вычислительного моделирования Сибирского отделения РАН) под руководством профессора Константина Крутовского. Вычисления и обработка данных выполнены заведующим кафедрой высокопроизводительных вычислений Института космических и информационных технологий Дмитрием Кузьминым и научным сотрудником кафедры Вадимом Шаровым.

Проект «Геномные исследования основных бореальных лесообразующих хвойных видов и их наиболее опасных патогенов в Российской Федерации» проходит в рамках программы мегагрантов Правительства РФ (программа реализуется Минобрнауки России). Научная статья опубликована в журнале Molecular Sciences https://www.mdpi.com/1422-0067/23/7/3761.

 

Информация и фото предоставлены пресс-службой Минобрнауки России