Laboratory of Cellular and Molecular Mechanisms of Plant Development

2020–2022 – Грант № 20-16-00115 «Малые сигнальные пептиды в системной регуляции стратегии быстрого ветвления корневых систем огурца и гречихи», руководитель Демченко К.Н.

Несмотря на значительные успехи последнего времени в фундаментальных исследованиях клеточной и молекулярной биологии растений, вопросы о системной регуляции развития корневых систем требуют активного изучения. Необходимо выявление общих молекулярно-генетических механизмов регуляции ветвления корней различного происхождения. Грант посвящен решению приоритетных фундаментальных проблем современного сельского хозяйства: исследованию ключевых генетических механизмов повышения урожайности и устойчивости важных сельскохозяйственных культур, широко возделываемых в Российской Федерации. В качестве объектов исследования выбраны виды из семейств Тыквенные и Гречишные: огурец (Cucumis sativus) и гречиха (Fagopyrum esculentum), у которых инициация и формирование примордиев бокового корня происходят непосредственно в меристеме родительского корня, а корневая система характеризуется активным ветвлением в почве. Предполагается изучение и расшифровка молекулярно-генетических механизмов системной регуляции ветвления корневых систем у Тыквенных и Гречишных, что важно как для фундаментальной генетики биологии развития растений, так и для формирования практических подходов по развитию адаптивного земледелия. Целью данной работы является выяснение базовых механизмов системного контроля ветвления корневой системы у овоще-бахчевых и зерновых культур на примере огурца и гречихи, у которых боковые корни формируются непосредственно в меристеме родительского корня. В ходе реализации проекта будет изучен паттерн экспрессии генов малых сигнальных пептидов, а также их рецепторов в корне: RAPID ALKALINIZATION FACTOR LIKE 34 (RALFL34) и его рецепторной киназы THESEUS1 (THE1), а также C-TERMINALLY ENCODED PEPTIDE 5 (CEP5) и его рецептора CEP RECEPTOR 1 (CEPR1). Важным направлением исследований станет поиск и комплексная характеристика дифференциально экспрессирующихся генов при запуске сверхэкспрессии гена RALFL34 у огурца.

Российский Фонд фундаментальных исследований

2019–2021 – Грант № 19-04-01079-а, тема: «Ключевые транскрипционные факторы семейства LBD и их мишени в регуляции ветвления корневой системы Тыквенных», руководитель Демченко К.Н.

Проект исследований посвящен выявлению общих молекулярно-генетических механизмов локальной и системной регуляции органогенеза в постэмбриональном развитии многоклеточного организма, в частности, – ветвления тела высших растений. Исследования в рамках данной проблемы крайне важны как для фундаментальных областей биологии развития растений, так и для прикладных разработок в области инновационного сельского хозяйства. Целью данной работы является выяснение генетических механизмов контроля смены программы развития клеток при инициации боковых корней у тех видов цветковых растений, у которых этот процесс полностью происходит в меристеме родительского корня, в частности у Тыквенных. Данный проект является логическим продолжением работ, поддержанных РФФИ в предыдущие годы. Ранее нами показана ключевая роль локальных максимумов клеточного ответа на ауксин в определении компетенции клеток перицикла и эндодермы к инициации примордия. В ходе реализации проекта предполагается изучение роли транскрипционных факторов семейства LATERAL ORGAN BOUNDARIES DOMAIN LBD16 и LBD18 в регуляции инициации бокового корня у кабачка (Cucurbita pepo) и огурца (Cucumis sativus). Также будут выявлены генные мишени этих белков в ходе дальнейшего развития примордия бокового корня. Будут изучены: 1). Опосредованная LBD16 поляризация клеток-основательниц бокового корня в апикальной части меристемы родительского корня; 2). Паттерн локальной экспрессии LBD16 в клетках меристемы родительского корня Тыквенных – перицикле и эндодермы; 3). Синхронное деление клеток-основательниц бокового корня, и является ли оно результатом возобновления или продолжения пролиферации в меристеме; 4). Роль димера транскрипционных факторов LBD18–LBD33 в запуске экспрессии E2Fa и перехода в S-фазу клеточного цикла клеток-основательниц бокового корня, а также регуляция этого процесса локальным максимумом клеточного ответа на ауксин; 5). Запуск экспрессии экспанзинов и являются ли они мишенями транскрипционных факторов LBD у Тыквенных. Для решения поставленных задач предполагается использование комплексного методического подхода. Анализ полученных в ходе работы над проектом результатов выявит базовые молекулярно-генетические механизмы ветвления корневой системы высших растений, а также пути эволюции ветвления корня у разных систематических групп.

2020–2022 – Грант № 20-016-00233-а, тема: «Молекулярно-генетические механизмы транспорта ауксина в развитии корневой системы гречихи (Fagopyrum esculentum Moench)», руководитель Ильина Е.Л.

Целью данной работы является выяснение сравнительных аспектов молекулярно-генетических и гормональных механизмов развития корневых систем у растений с инициацией бокового корня в пределах апикальной меристемы родительского корня двух важных сельскохозяйственных культур – гречихи (Polygonaceae) и огурца (Cucurbitaceae). Важной составной частью проекта станет сравнительное исследование разнообразия белков-переносчиков ауксина семейства PIN и их роли в формировании максимумов клеточного ответа в меристеме при инициации боковых корней. Данный проект является логическим продолжением работ нашего коллектива, поддержанных РФФИ в предыдущие годы. Ранее нами была показана ключевая роль накопления ауксина в отдельных клетках перицикла и эндодермы в кончике корня кабачка для инициации примордия бокового корня в меристеме родительского корня. При реализации данного проекта на основе сравнительного подхода в корнях гречихи и огурца будут изучены: 1. распределение клеточного ответа на ауксин; 2. разнообразие и тканевое распределение белков PIN, будут сделаны выводы о их роли в адаптивном ветвлении корневой системы; 3. разнообразие и содержание ауксинов. Преимуществом заявляемого проекта является комбинация современных методов молекулярной генетики, генной инженерии, метаболомики, а также новейших подходов в микроскопии. Данные, полученные в ходе реализации проекта, позволят выявить новые молекулярно-генетические и физиологические механизмы явления быстрого ветвления корневой системы культурных растений.

2020–2021 – Грант № 20-316-80046, тема: «CRISPR/Cas редактирование гена DRO1 огурца как инструмент модификации архитектуры корневой системы овоще-бахчевых культур», руководитель Кирюшкин А.С.

Исследования направлены на решение важной фундаментальной проблемы сельского хозяйства – направленного изменения морфогенеза овоще-бахчевых культур, а также создания корневых систем с новыми, улучшенными свойствами. Работы в этом направлении крайне важны для развития инновационного сельского хозяйства в Российской Федерации. Целью проекта является изучение роли гена DEEPER ROOTING 1 (DRO1) в формировании архитектуры корневой системы огурца (Cucumis sativus, сем. Cucurbitaceae). Важной частью проекта станет редактирование ортолога гена DRO1риса у огурца с помощью системы CRISPR/Cas, что позволит разработать рекомендации по модификации гена DRO1для создания новых устойчивых сортов овоще-бахчевых культур. В ходе реализации проекта впервые будет идентифицированы ортологи гена DRO1риса у тыквенных. Впервые будет проведено направленное изменение архитектуры корневой системы у огурца путём редактирования гена DRO1, а также проведен детальный анализ паттерна тканевой активности промотора этого гена в корне.