Изучение роли гена ICE2 Arabidopsis thaliana в контроле устойчивости растений к холоду

• Автор: Курбидаева, Амина Султановна
• Шифр специальности: 03.02.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1 .Воздействие низких температур на растение
1.2. Ответ растения на холод
1.2.1. Механизмы восприятия и передачи холодового сигнала
1.2.2. Транскрипционные факторы, регулирующие ответ на холод
1.2.3. Физиологические перестройки в результате акклиматизации
1.2.4. Роль растительных гормонов и метаболитов в ответе на холод
1.2.5. Взаимосвязь между регуляцией ответа на холод и времени зацветания
1.3. Семейство ICE: структурные особенности и функции
1.3.1. Структурные особенности
1.3.2. Функции
1.4. Внутривидовая изменчивость по устойчивости к холоду и ее генетические основы
1.4.1. Необходимость изучения природного разнообразия растений
1.4.2. Генетические ресурсы A. thaliana
1.4.3. Методы изучения адаптаций к климату
1.4.4. Внутривидовой полиморфизм по устойчивости к холоду A. thaliana и
его генетические основы
1.4.4.1. Клинальная изменчивость по устойчивости кхолоду
1.4.4.2. Роль генов регулона CBF в формировании внутривидовых различий
по устойчивости к холоду A. thaliana
1.5. Заключение
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
2.1. Растительный материал и условия выращивания
2.2. Получение гомозиготных линий трансгенных растений с суперэкспрессией гена ICE
2.3. Физиологический тест на устойчивость к холоду
2.4. Сканирующая электронная микроскопия
2.5. Молекулярные методы
2.6. Методы бпоинформатики
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ
3.1. Анализ филогении гена 1СЕ
3.2. Анализ геномной микроеннтении участков хромосом 1 и 3 A.thaliana
3.3. Структурные особенности генов ICE1 и 1СЕ
3.4. Бноинформатическнй анализ промоторных областей генов ICE1 и ICE
и сравнение характера их экспрессии
3.5. Анализ полиморфизма нуклеотидных последовательностей генов ICE1 и ICE2 среди ряс A.thaliana из разных широт
3.5.1. Нуклеотидный полиморфизм по генам ICE1 и ICE2 в контексте географического происхождения рас

3.5.2. Распределение внутривидового полиморфизма по последовательности генов ICE и связь с доменной структурой продукта гена
3.5.3. Эволюционные аспекты полиморфизма ортологов и паралогов генов ICE из A. thaliana и A. lyrata
3.5.4. Применение тестов на нейтральность молекулярной эволюции для оценки действия отбора на различные участки генов 1СЕ
3.6. Изучение функции гена ICE2 с использованием трансгенных растений
3.6.1. Влияние суперэкспрессии гена 1СЕ2 на фенотип трансгенных растений
3.6.2. Реакция трансгенных растений на Холодовой стресс
3.6.3. Влияние суперэкспрессии гена 1СЕ2 на экспрессию генов регулона CBF/АБК-независимого пути ответа на холод
3.6.4. Влияние суперэкспрессии гена 1СЕ2 на АБК-зависимый путь ответа на холод/экспрессию генов метаболизма АБК и регулона AREB/ABF
3.7. Роль гена ICE2 в адаптации к условиям северной границы ареала обитания A. thaliana
3.8. Изучение связи экспрессии ICE2 с регуляцией времени зацветания
ГЛАВА 4. ОБСУЖДЕНИЕ
4.1. Роль гена ICE2 в устойчивости к холоду апикальной меристемы побега..
4.2. Возникновение гена ICE2 в результате дупликации и его структурная и функциональная дивергенция
4.3. Филогения семейства Капустные и роль гена ICE2 в появлении адаптаций и дивергенции таксонов
4.4. Внутривидовой полиморфизм и межвидовая дивергенция последовательностей генов ICE1 и ICE
4.5. Возможная модель эволюции генов ICE
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Холод является одним из основных факторов окружающей среды, ограничивающим ареалы обитания растений и отрицательно влияющих на продуктивность хозяйственно ценных культур. В ходе эволюции растения выработали эффективные физиолого-биохимические способы ответа на губительное влияние низкотемпературного стресса. Стрессовый сигнал воспринимается клеточными рецепторами и передается по цепи мессенджеров, приводя в конечном итоге к активации генов стрессового ответа. Продукты этих генов приводят к немедленному ответу на стресс либо к адаптации растения. Немедленный ответ может привести и к ингибированию роста или клеточной смерти (Mahajan and Tuteja, 2005), адаптация же является основой устойчивости.
В 1985 году на шпинате впервые было показано, что под действием холода происходит изменение экспрессии некоторых генов (Guy et al., 1985). Затем было установлено, что в ответ на пониженные температуры происходит ряд процессов, известных как холодовая адаптация, или акклиматизация (Guy and Haskell, 1988). Как в течение года, так и в течение суток растения умеренных регионов подвергаются воздействшо колебаний температур. В теплое время года их способность противостоять холоду невысока, однако с приходом осени устойчивость к холоду многих растений повышается. Пониженные температуры включают каскады генов, приводящих к накоплению метаболитов и структурных белков, позволяющих избежать повреждений клеток.
Ключевыми вопросами генетики устойчивости к холоду являются идентификация генов, вовлеченных в процесс акклиматизации, исследование их функций, способов восприятия и передачи сигнала. Знание механизмов адаптации и устойчивости к холоду имеет не только фундаментальное, но и потенциальное практическое значение. Низкие температуры являются основным фактором, ограничивающим области культивирования теплолюбивых растений, а также периодически приводящим к потере урожая при неожиданном похолодании. Создание трансгенных растений, несущих несвойственные данному виду гены либо суперэкспрессирующиеся собственные «полезные» гены, успешно используется для увел1гчения хозяйственной ценности культур.

Детекция действия отбора на ген методами популяционной и эволюционной
генетики
Методы популяционной и эволюционной генетики помогают определить, какие эволюционные силы (отбор, дрейф генов, популяционная структура) влияли на возникновение и эволюцию адаптивных локусов. Центральное предположение эволюционной геномики состоит в том, что отбор действует на отдельные гены, в то время как популяционные процессы (изменение размеров популяции, миграция) являются случайными силами, действующими на все гены генома. Прогресс в развитии теоретических и статистических методов, а также доступность данных по полиморфизму геномов позволяют исследователям отличать действие отбора от популяционных процессов и, таким образом, идентифицировать гены, лежащие в основе адаптивных вариаций (Luikart et al., 2003).
Отбор изменяет уровень разнообразия на внутри- и межвидовом уровне. Об адаптивной значимости тех или иных аллелей генов можно судить с помощью анализа нуклеотидного полиморфизма популяций (Wright and Gaut, 2005). Популяционная генетика может предсказывать паттерны нуклеотидного полиморфизма на основе стандартной нейтральной модели для идеальных (равновесных) популяций. Затем наблюдаемый полиморфизм сравнивается с ожидаемым с помощью тестов статистических гипотез. В табл. 1 представлено, как разные виды отбора влияют на разнообразие.
Таблица 1. Влияние отбора на внутри- и межвидовое разнообразие (адоптировано из Nielsen, 2005).
Фактор эволюции Внутривидовое разнообразие Межвидовое разнообразие Отношение межвидового разнообразия к внутривидовому Спектр аллельных частот
Негативный отбор Позитивный отбор Балансирующий отбор Снижено Может повышаться или понижаться Повышено Снижено Повышено Может повышаться или погашаться Снижено, если отбор не слишком сильный Повышено Снижено Повышена доля низкочастотного полиморфизма Повышена доля высокочастотного полиморфизма Повышена доля полиморфизма средних частот
На рис. 7 представлены три филогенетических древа, отображающие
эволюционные взаимоотношения между аллелями одного гена. Типичный