Процесс формирования древесины (ксилемы) - ксилогенез, обусловливает ее структурные особенности, определяет физико-механические, технологические, топливные и декоративные свойства. В данной связи поиск путей эффективного управления ксилогенезом актуален как с точки зрения повышения продуктивности древесных растений, так и получения древесины с заданными свойствами. Последнее открывает возможность для получения уникального биологического материала, перспективного с точки зрения его использования для различных отраслей науки и практики, включая решение различных технологических задач.
Известно, что изучение отклонений от нормального роста и развития позволяет глубже и всесторонней понять закономерности нормального процесса.
Объектами нашего исследования являются две формы березы повислой (Betula pendula Roth) – обычная береза повислая (B. pendula var. pendula) с типичной для вида прямослойной древесиной и карельская береза (B. pendula var. carelica) с аномальной по структуре узорчатой древесиной ствола.
Формирование древесины в значительной степени связано с гормональным статусом ткани, который складывается из содержания и соотношения различных гормонов, ведущим из которых является ауксин (ИУК). Имеющиеся данные позволяют заключить, что статус ИУК у древесных растений является критическим фактором количества и качества образованной древесины. Ауксин может оказывать свое влияние только находясь в свободной (физиологически активной) форме. Уровень свободного ауксина в клетках и тканях является результатом сложного взаимодействия процессов его транспорта и метаболизма, который в свою очередь включает биосинтез, коньюгацию и деградацию гормона.
Молекулярные механизмы действия ауксина на формирование структурных элементов древесины до сих пор во многом остаются неясными; работ, выполненных в этом направлении на древесных растениях, очень мало. В настоящее время молекулярно-генетические исследования проводят с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР). Для корректного выполнения ПЦР-анализа очень важно конструировать праймеры на основе анализа последовательностей ДНК или РНК непосредственно самого исследуемого вида. Результаты полногеномного секвенирования Betula pendula впервые были опубликованы совсем недавно - в мае 2017 г. (Salojärvi et al., 2017). Это открыло широкие возможности для исследования молекулярно-генетических основ участия ауксина в формировании узорчатой древесины карельской березы.
Цель настоящего проекта заключается в выявлении молекулярно-генетических основ влияния ауксина на рост и дифференциацию структурных элементов ксилемы на примере карельской березы.
В работе по проекту основное внимание мы уделяли исследованию генов, обеспечивающих регуляцию содержания ауксина в зонах роста и дифференциации проводящих тканей обычной березы повислой и карельской березы. Методами биоинформатики мы впервые идентифицировали в геноме березы повислой гены семейств, отвечающих за синтез (Yucca), транспорт (PIN) и конъюгацию (UGT, GH3) гормона. Всего в геноме березы повислой было выявлено 8 генов Yucca, 6 генов PIN, 12 генов GH3; в многочисленном семействе UGT мы рассматривали только гены, кодирующие фермент ИУК-глюкоза синтазу, который катализирует реакцию инактивации ауксина с образованием конъюгата ИУК-глюкоза, таких генов оказалось 2. Установлено, что почти все идентифицированные гены экспрессируются в тканях ствола деревьев обычной березы повислой и карельской березы, за исключением одного из двух генов UGT. Была исследована тканеспецифичность генов, в частности, выявлены гены, для которых характерно накопление наибольшего количества транскриптов в зонах формирования ксилемы и флоэмы, а также гены, экспрессия которых в наибольшей степени различалась при развитии нормальных и аномальных по строению тканей. Полученные данные были сопоставлены с известными функциональными характеристиками кодируемых генами белков. Обобщение экспериментального материала позволило заключить, что большое количество генов интереса продемонстрировало сверхэкспрессию при развитии структурных аномалий по типу карельской березы, из чего следует вывод о важной роли ауксина в этом процессе.
Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что сверхэкспрессия некоторых из изученных генов может быть индуцирована повышенным уровнем гексоз в тканях. Ранее мы показали, что в стволе карельской березы избыток гексоз появляется в результате интенсивного расщепления сахарозы с участием апопластной инвертазы (АпИнв). В рамках настоящего проекта мы подтвердили взаимосвязь между повышением активности АпИнв и усилением аномальности структуры древесины у деревьев карельской березы, а в экспериментах с кольцеванием ствола обычной березы повислой продемонстрировали взаимосвязь между накоплением сахарозы, ростом активности АпИнв и развитием структурных аномалий древесины, имеющих сходство с карельской березой.
Интенсивное поступление в клетку гексоз может приводить к образованию больших количеств активных форм кислорода (АФК) и активизации ферментов антиоксидантной системы (АОС). Высокий уровень АФК влияет на все процессы, участвующие в регуляции уровня ауксина в клетке, включая биосинтез, транспорт, метаболизм и катаболизм гормона. В данной связи в сфере наших интересов находятся ключевые ферменты АОС (супероксиддисмутаза, пероксидаза, каталаза, полифенолоксидаза). Установлена повышенная активность указанных ферментов при формировании узорчатой древесины карельской березы, высказано предположение о возможном участии пероксидазы в окислении ауксина.