Изменчивость транскриптома у форм бобовых растений с различной эффективностью азотного и фосфорного питания

Проект посвящен изучению транскрипционных изменений в тканях бобовых растений при развитии азотфиксирующих клубеньков и арбускулярной микоризы (АМ). В работе использовались две модельные симбиотических системы, образуемые люцерной хмелевидной и горохом посевным. На первом этапе был проведен эксперимент на двух линиях люцерны: MlS-1 и индуцированного на ее основе мутанта III-1-18. Развитие линии MlS-1 зависит от AM, что делает её удобной моделью для изучения полезного влияния АМ на растения. Мутантная линия III-1-18 образует неэффективную АМ, что проявляется в отсутствии прибавки биомассы при инокуляции. Изучение этих линий позволяет выявить влияние АМ и недостатка фосфора, а также различия в регуляции процессов при недостатке и нормальном количестве фосфора. На втором этапе был проведён анализ ростовых параметров и фенотипа растений из эксперимента, а также анализ транскриптомов надземных и подземных частей растений. Было установлено, что гриб формирует недоразвитую АМ в корнях мутанта и нормальные арбускулы в корнях исходной линии. Функциональная аннотация дифференциально экспрессирующихся генов позволила выявить биологические процессы, характерные для эффективной АМ в надземных и подземных частях люцерны. В корнях мутанта III-1-18 по сравнению с исходной линией MlS-1 оказался изменен путь биосинтеза зеатина (цитокинина), фенилпропаноидный и пентозофосфатный путь, и др. Содержание фосфора в субстрате не влияет на наблюдаемую картину. Ранее для бобовых растений была предложена концепция признака «эффективности взаимодействия с полезными почвенными микроорганизмами» (ЭВППМ) – относительной прибавки массы семян под воздействием комплекса полезных микроорганизмов по сравнению с неинокулированным контролем. Был проведен анализ ассоциации аллельного состояния генов-маркеров ЭВППМ, выявленных у «эффективных» линий гороха посевного, с проявлением данного признака на выборке из 99 генотипов гороха. 3 полиморфные точки в 3-х генах показали влияние на прибавки различных параметров под действием ППМ. Выявленные гены можно рекомендовать в качестве маркеров признака ЭВППМ при селекции сортов с высоким симбиотическим потенциалом. В эксперименте по раздельной и совместной инокуляции генотипов к-8274 (с высокой ЭВППМ) и к-3358 (с низкой ЭВППМ) клубеньковыми бактериями и АМ-грибами показано, что продление периода созревания семян при двойной инокуляции у генотипа к-8274 может складываться из следующих факторов: 1) задержка цветения под действием АМ у генотипа к-8274; 2) более продолжительный период цветения под действием АМ у генотипа к-8274; 3) ускорение цветения под действием АМ у генотипа к-3358; 4) сокращение периода созревания семян под действием АМ у генотипа к-3358. Проведен анализ данных секвенирования транскриптома сортов Триумф, Классик и Вендевиль (к-8274) с использованием новой сборки генома гороха, полученной в лаборатории руководителя гранта. Поскольку Триумф унаследовал признак ЭВППМ от к-8274, отдельный анализ был проведен для дифференциально экспрессирующихся генов, общих для сортов Триумф и к-8274, но не Классик. Было выявлено 8 генов, для 3-х из которых предсказано участие в защитных реакциях растения, и для 2-х – участие в ауксиновом и гиббереллиновом сигналинге. Аналогично люцерне хмелевидной, в корнях гороха были выявлены гены, связанные с развитием АМ. Генотип к-8274 демонстрирует наибольшее количество дифференциально экспрессирующихся генов, относимых к данным процессам. При этом отмечено, что у неэффективного генотипа Классик при взаимодействии с ризобиями и АМ повышается экспрессия генов метаболизма крахмала и сахарозы, что может указывать на более активные обменные процессы между грибом и растением. Интересно, что у генотипа к-8274 и сорта Триумф, в отличие от сорта Классик, повышается экспрессия гена гиббереллин-20-оксидазы, которая принимает участие в синтезе активной формы гиббереллина GA20. В то же время у сорта Классик повышена экспрессия гена гиббереллин-бета-диоксигеназы, которая приводит к образованию неактивных форм гиббереллинов. Судя по транскриптомным данным, при инокуляции АМ эффективные генотипы должны продуцировать в корнях больше активных форм гиббереллинов, чем неэффективный. Вероятно, за счёт этого растения «эффективных» генотипов лучше контролируют развитие микоризы в корнях. Также при анализе транскриптомов 10-ти генотипов гороха было установлено, что «эффективные» генотипы образуют обособленный кластер на дендрограмме родства и располагаются вместе в пространстве главных компонент. Оценка дифференциальной экспрессии генов в группах «эффективных» и «неэффективных» генотипов позволила выявить 180 генов с повышенной, и 276 – с пониженной экспрессией. Распределение генов по функциональным группам показало, что «эффективные» генотипы успешно управляют своими микросимбионтами за счёт выделения вторичных метаболитов, модификации липидного метаболизма и активности фитогормонов.