|
Лаборатория сигнальной регуляции создана в 2019 году в рамках реализации национального проекта «Наука и университеты». В составе лаборатории – 12 сотрудников. Руководитель лаборатории - Долгих Елена Анатольевна, д.б.н., лауреат премии Правительства РФ в области науки и техники «Получение производных хитина и препаратов на их основе для применения в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности и биотехнологии» (2013 г.). Основной целью работы лаборатории является исследование сигнального обмена между растениями и микроорганизмами, направленное на совершенствование технологии получения и использования сигнальных соединений в качестве эффективных стимуляторов развития растений, имеющих важное сельскохозяйственное значение. Среди таких соединений производные хитина, которые выделяются микроорганизмами и используются в качестве стимуляторов развития мутуалистических симбиозов и эффективных средств биологической защиты у растений.
|
Результатом работы в этом направлении стало выявление ключевой роли новой LysM-рецептор-подобной киназы К1 в контроле развития бобово-ризобиального симбиоза как на самых ранних этапах развития этого процесса, так и на более поздних при проникновении ризобий в клетки корня растений (Kirienko et al., 2018). Удалось выяснить, как структурные изменения в различных доменах LysM-рецептор-подобной киназы К1 могут влиять на ее способность формировать комплекс с ко-рецептором, что приводит к нарушению связывающей способности клеток корня растений с сигнальными молекулами Nod-факторами, выделяемыми клубеньковыми бактериями (Kirienko et al., 2019). Для изучения специфичности рецепторов используется молекулярное моделирование и метод микроскопического термофореза.
Наши исследования позволили выявить уникальную LysM-рецептор-подобную киназу LYK9, которая необходима для узнавания растением хитоолигосахаридов (ХОС) с разной степенью полимеризации. Эти молекулы со степенью полимеризации 4 и 5 (ХОС4-5) наряду с Myc-факторами выделяются грибами арбускулярной микоризы (АМ) и необходимы для формирования симбиоза. При взаимодействии растений с фитопатогенными грибами под влиянием литических ферментов в среду выделяется смесь ХОС из клеточной стенки грибов и эти соединения со степенью полимеризации более 6 вызывают сильный иммунный ответ у растений. В результате проведенной работы удалось впервые показать, что LYK9 является бифункциональной рецепторной киназой (Leppyanen et al., 2018) и при объединении с разными ко-рецепторами может связывать либо ХОС4-5 и контролировать развитие симбиоза с грибами АМ, либо активировать иммунный ответ у растений при узнавании ХОС6-8 фитопатогенных грибов.
Изучение таких уникальных рецепторов позволит выяснить механизмы, которые определяют способность растений на уровне одного рецептора быстро переключать сигнальные пути, которые ведут к развитию либо мутуалистических, либо антагонистических взаимоотношений.
С помощью методов транскриптомного и протеомного анализа были выявлены ряд новых регуляторов сигнальных путей, которые необходимы для передачи сигнала в клетках растений, при взаимодействии с клубеньковыми бактериями и грибами АМ. Среди них гетеротримерный G-белок, фосфолипазы С и D, кальций- и фосфолипид-связывающие белки. Для генов, кодирующих выявленные регуляторы, было проведено нокаутирование с помощью РНК-интерференции или осуществлена сверхэкспрессия. Это впервые позволило показать, например, важную роль гетеротримерного G-белка, а также кальций-связывающего белка аннексина в контроле развития бобово-ризобиального симбиоза.
Анализ сигнальных путей, активируемых рецептор-подобной киназой LYK9, с помощью технологий транскриптомного и протеомного профилирования впервые позволил показать ключевую роль комплекса митоген-активируемых протеинкиназ (МАР-киназ) в передаче сигнала при узнавании растением ХОС4-5 и ХОС6-8. Исследования показали, что в результате активации разных комплексов MAP-киназ растение может контролировать либо развитие симбиоза с грибами АМ при узнавании ХОС4-5, либо активировать иммунный ответ при узнавании ХОС6-8.
Новым направлением исследований стало изучение влияния генов, кодирующих рецепторы к Nod-факторам и контролирующих инициацию развития азотфиксирующих симбиозов, на небобовые растения. С этой целью проводится генетическая трансформации растений томата и ячменя, изучается экспрессия генов рецепторов к сигнальным молекулам ризобий и транскрипционных регуляторов при переносе их в растения под контролем конститутивных и специфичных промоторов. В результате проведенных исследований удалось показать возможность активации перенесенных генов в тканях небобовых растений (анализ содержания мРНК и кодируемого белка), а также оценить изменения, к которым приводит такой перенос. Эти исследования носят приоритетный характер, поскольку являются пионерскими в данной области и позволят в перспективе расширить круг растений, вступающих в симбиоз с ризобиями.
Одним из направлений исследований лаборатории является изучение роли гормонов и транскрипционных факторов в контроле развития клубеньков бобовых растений. Известно, что под влиянием сигнальных молекул Nod-факторов в тканях корня бобовых растений происходят значительные изменения в концентрации гормонов цитокининов, ауксинов и гиббереллинов, что влияет на инфекционный процесс и органогенез клубеньков. Остается загадкой как Nod-факторы, оставаясь связанными с рецепторами, локализованными в эпидермисе, передают сигнал в удаленные клетки коры корня, где происходит закладка клубеньков. Наши исследования показали, что под влиянием Nod-факторов у бобовых растений активируются транскрипционные факторы семейств KNOX и BELL, которые стимулируют гены, контролирующие биосинтез цитокининов (Azarakhsh et al., 2015; Dolgikh et al., 2017; Dolgikh et al., 2020). В свою очередь, под влиянием цитокининов в тканях коры корня бобовых растений происходит локальное увеличение концентрации ауксинов, что стимулирует пролиферацию клеток и приводит к формированию клубеньков. Вместе с тем, цитокинины, как показывают наши исследования, оказывают значительное влияние и на более поздние стадии развития симбиоза, связанные с процессами дифференцировки тканей клубенька и дифференцировки бактероидов (Dolgikh et al., 2020).
Леппянен Ирина Викторовна – с.н.с., к.б.н.
Кириенко Анна Николаевна – н.с., к.б.н.
Павлова Ольга Андреевна – н.с., к.б.н.
Бовин Андрей Дмитриевич – м.н.с.
Козюлина Полина Юрьевна – м.н.с.
Рудая Елизавета Степановна – м.н.с.
Вашурина Мария Андреевна – м.н.с.
Велижанина Мария Евгеньевна – м.н.с.
Долгих Александра Вячеславовна – инженер-микробиолог
Ковалева Оксана Дмитриевна – инженер-микробиолог
Бовин А. Д. «Роль гетеротримерных G-белков в регуляции развития бобово-ризобиального симбиоза у люцерны M. truncatula Gaertn. и гороха P. sativum L.» специальность 03.02.03 микробиология, 2022
