Предлагаемые темы для квалификационных работ (магистерские и кандидатские диссертации)

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Выявление последовательностей новых генов, контролирующих формирование азотфиксирующих клубеньков у гороха посевного, и анализ их функций.

Для многих мутантных линий гороха с нарушениями развития клубеньков пока не известны гены, затронутые мутациями. В лаборатории недавно получены данные РНК-секвенирования растений поколения F2 для генетического картирования симбиотических генов Sym23 и Sym24 при помощи модифицированной методики Mapping-by-sequencing (методика детально описана в Zhernakov et al., 2019). Также получены данные РНК-секвенирования клубеньков мутантных растений. В ходе работы необходимо будет провести детальный биоинформатический анализ имеющихся данных для идентификации генов-кандидатов и подробного описания профилей экспрессии генов в клубеньках мутантов по сравнению с клубеньками исходной линии «дикого типа». В результате будут получены новые фундаментальные знания о генетической системе гороха, контролирующей развитие и функционирование азотфиксирующих клубеньков.

В рамках этой работы возможно выполнение дальнейших задач по генетической трансформации мутантных линий гороха конструкциями с генами-кандидатами для комплементации мутаций. Дальнейшее развитие направлений работы будет зависеть от функций выявленных генов.

Руководитель работы: к.б.н. Кулаева Ольга Алексеевна.

Контроль экспрессии генов при реализации генетической программы развития азотфиксирующего клубенька бобовых растений.

Гомеозисный ген COCHLEATA (COCH) гороха и его ортолог NOOT люцерны контролирует развитие тканей клубенька в ходе его роста. Мутации в указанных генах приводят к формированию на кончике клубенька нового корня из-за переключения меристемы клубенька на программу развития корня (Couzigouetal., 2012; Magne et al., 2018). В лаборатории получены данные РНК-секвенирования клубеньков мутантной линии гороха SGEapm (coch) и исходной линии SGE. Также доступны данные анализа экспрессии на микрочипах (microarrays) для клубеньков мутантов люцерны по гену noot. В рамках работы планируется проведение детального анализа экспрессии генов в мутантных клубеньках и идентификация молекулярных механизмов контроля судьбы апикальной меристемы клубенька (предположительно, включающих в себя действие растительных гормонов – ауксинов и цитокининов). Кроме биоинформатического анализа запланирована экспериментальная работа (оценка экспрессии генов при помощи ПЦР в реальном времени, микрофотографии и т.д.).

Руководители работы: к.б.н. Кулаева Ольга Алексеевна, к.б.н. Романюк Дарья Андреевна, к.б.н. Жуков Владимир Александрович

Характеристика гена Sym31 гороха, ответственного за дифференцировку бактерий в клубеньках в симбиотическую форму.

Мутант гороха по гену sym31 неспособен инициировать дифференцировку клубеньковых бактерий в симбиотическую форму, называемую бактероиды. Как следствие, клубеньки этого мутанта являются недоразвитыми и не фиксируют азот. Несмотря на то, что мутант выявлен более 30 лет назад, последовательность гена Sym31 до сих пор не идентифицирована, и ортологи этого гена неизвестны у модельных бобовых растений (лядвенца японского и люцерны слабоусечённой). В работе планируется анализ уже полученных данных геномного секвенирования мутантной линии по гену sym31 и родительского генотипа с целью поиска нуклеотидной замены, приводящей к мутантному фенотипу. Дальнейшая работа будет включать в себя комплементационный тест при помощи hairy root трансформации, а также детальную фенотипическую характеристику мутанта с использованием конфокальной и электронной микроскопии. Кроме того, для выявления молекулярной функции гена Sym31 будет проведён анализ транскриптомных профилей мутантных клубеньков в сравнении с клубеньками «дикого типа». Результат работы обогатит фундаментальные знания о молекулярных механизмах контроля азотфиксирующего симбиоза у бобовых растений.

Руководитель: к.б.н. Жуков Владимир Александрович.

Выявление молекулярной функции гена Fas в контроле развития побегов и азотфиксирующих клубеньков гороха посевного.

У гороха известна спонтанная мутация в гене fas, приводящая к фасциации побега (нарушению функционирования побеговой меристемы, в результате чего стебель уплощается и формируются листья, слитые друг с другом). Существует предположение, что ген Fas кодирует ранее не описанный компонент системы CLAVATA, участвующий в развитии как побеговых меристем, так и меристем азотфиксирующего клубенька. В работе планируется провести точное генетическое картирование гена Fas при помощи методологии mapping-by-sequencing (методика детально описана в Zhernakov et al., 2019), определить гены-кандидаты, выявить мутацию на основании данных геномного секвенирования мутанта по гену fas и исходной линии, а также описать влияние мутации в гене fas на развитие азотфиксирующих клубеньков. Данные геномного и транскриптомного секвенирования уже получены и ждут студента, готового освоить методы биоинформатики и применить их в данной работе.

Руководитель: к.б.н. Жуков Владимир Александрович.

Изучение ответа растений гороха на совместную инокуляцию клубеньковыми бактериями, грибами арбускулярной микоризы и полезными ризобактериями на уровне транскриптома корневой системы.

Горох посевной образует симбиозы с различными почвенными микроорганизмами, и в развитии различных симбиозов могут быть задействованы одни и те же регуляторные и структурные гены. Так, описаны гены симбиозинов, т.е. гены с повышающейся экспрессией при развитии азотфиксирующих клубеньков и арбускулярной микоризы. Вместе с тем, остаётся открытым вопрос о том, отличается ли экспрессия генов растения при одиночной и множественной инокуляции (иными словами, наблюдается ли влияние различных симбиозов друг на друга, и каково оно – взаимное подавление либо синергетический эффект). Для ответа на данный вопрос был поставлен масштабный вегетационный эксперимент, в котором был секвенирован транскриптом двух сортов гороха, инокулированных различными комбинациями микроорганизмов (клубеньковые бактерии, грибы арбускулярной микоризы и рост-стимулирующие бактерии). В предлагаемом исследовании планируется осуществить анализ дифференциальной экспрессии генов с применением современных подходов биоинформатики, охарактеризовать ответ растений гороха на множественную и одиночную инокуляцию, а также выявить молекулярные маркеры эффективного развития симбиозов. Данные секвенирования по протоколу МАСЕ уже получены и ждут студента, готового заняться их обработкой.

Руководитель: к.б.н. Жуков Владимир Александрович, к.б.н. Сулима Антон Сергеевич

ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Геномный анализ штаммов клубеньковых бактерий, образующих высокоэффективный симбиоз с горохом посевным, и разработка тест-системы для определения эффективности инокуляции гороха клубеньковыми бактериями в условиях поля.

Применение для гороха биопрепаратов, содержащих штаммы клубеньковых бактерий, осложняется тем фактом, что в почве присутствуют штаммы, также способные к установлению симбиоза с горохом, но менее эффективно фиксирующие азот, чем производственные штаммы из препарата. Конкуренция между аборигенными и вносимыми штаммами может приводить к тому, что клубеньки образуются именно с неэффективным штаммами, вследствие чего положительный эффект от применения препарата может отсутствовать. Необходимо создать простую и удобную тест-систему, позволяющую отслеживать, какая доля клубеньков на корнях растений образована штаммом из биопрепарата, а какая – аборигенными штаммами. На данный момент секвенирован геном одного из производственных штаммов, в котором нужно найти уникальные последовательности, пригодные для использования в качестве маркеров. Анализ данных маркеров при помощи qPCR позволит определить процент клубеньков, образованных аборигенной микрофлорой и производственным штаммом, на материале засушенных корней гороха из полевых экспериментов. Данная система может быть полезна при отборе исходного материала для селекции новых сортов гороха, которые специфично взаимодействуют со штаммами из биопрепарата.

Руководитель: к.б.н. Жуков Владимир Александрович, к.б.н. Сулима Антон Сергеевич

Изучение роли флавоноидов в определении эффективности симбиоза гороха с клубеньковыми бактериями

Молекулы флавоноидной природы, выделяемые корнями бобовых растений, привлекают клубеньковые бактерии и стимулируют их к вступлению в симбиоз. Согласно гипотезе, спектр выделяемых флавоноидов и их количество может коррелировать с эффективностью образуемого симбиоза. В работе планируется провести качественный и количественный анализ состава флавоноидов, выделяемых корнями растений гороха, образующих эффективный либо неэффективный азотфиксирующий симбиоз. На следующем этапе работы будет проведён анализ транскриптома корневых системы изучаемых генотипов гороха для поиска генетических маркеров, коррелирующих с составом флавоноидов и эффективностью образуемого симбиоза.

Руководитель: к.б.н. Жуков Владимир Александрович.