ИСТИНА

Реверсии представляют собой наименее изученные явления в эволюции растений. Причина этому в том, что до сих пор не были выявлены модельные объекты, позволяющие с большой долей уверенности отличать реверсии от случаев независимого возникновения признаков в разных эволюционных линиях и унаследования признаков от общего предка. Генетические основы реверсий остаются неизученными, и о процессах, происходящих на уровне генетических сетей при таких преобразованиях, возможно лишь строить предположения. Можно предположить два основных механизма их возникновения: это может быть построение новой структуры генетической сети, обеспечивающей развитие аналогичной структуры, либо рекрутирование тех же элементов генетических сетей, что и при формировании исходного признака (если они сохранились к моменту реверсии). В качестве удобной модели для изучения процессов реверсий на небольших эволюционных расстояниях в работе выбраны листья рода Curio, в эволюции которого происходил переход от бифациальных листьев, имеющих типичные верхнюю и нижнюю стороны, к унифациальным цилиндрическим с неразвитой верхней стороной и вновь к бифациальным листьям. Возникновение цилиндрических листьев (их радиализацию) с подавлением верхней (абаксиализация) либо нижней (адаксиализация) стороны неоднократно исследовали на классических модельных объектах генетики растений, а повторную бифациализацию - на единственном представителе однодольных растений Juncus prismatocarpus. Однако унифациальная организация листовой пластинки включает синдром признаков, не реализующийся в полной мере ни в одном радиализированном листе модельных мутантов, а унифациальные листья однодольных резко отличаются от таковых двудольных образованием вторичной верхушки. Поэтому полученные результаты по генетическому контролю развития таких листьев неправомерно механически переносить на унифациальные листовые пластинки двудольных, у которых не происходит субституции верхушек листа в ходе его генезиса. Уникально высокое разнообразие фациальной структуры листьев в роде Curio, его несомненная монофилия, наличие выявленных внешних групп и недавнее происхождение способствуют выявлению преобразований генетической регуляции развития листа, сопровождавшие эволюционные перестройки этого органа. В предполагаемой работе будет проведен морфолого-анатомический анализ и анализ экспрессии генов при развитии листьев разных типов с целью установить, является ли реверсия структуры листа в роде Curio от унифациальности к бифациальности следствием восстановления предкового состояния морфологической структуры и функционирования генетических сетей или результатом формирования новых структур, лишь на макроуровне похожих на предковые, но отличающихся от предковых как на морфологическом/гистологическом уровне, так и в регуляции развития. Полученные в ходе выполнения проекта данные позволят не только существенно улучшить понимание реверсий в эволюции листа в роде Curio, но и расширят представления о генетических основах процессов морфологической эволюции у высших растений.

Evolutionary revercies are still the least explored phenomena of the plant evolution. Their explorations are hampered by that no model objects have so far been revealed which would enable the scientists to discriminate confidently true evolutionary revercies from similar homoplasies and plesiomorphies. Genetic grounds of the evolutionary revercies have till now been unexplored. Therefore, transformations of the underlying genetic networks remain conjectural. Two principal mechanisms of the reversible evolution could be supposed: (1) organization of new genetic network to generate analogous traits and (2) recruitment of the initial elements of genetic networks if they still exist by the time the reversion occurs. The leaves of Curio species have been chosen as a convenient model for studying evolutionary revercies at short phyletic distances. In this genus, original typical bifacial leaves with elaborated upper and lower sides evolved to the unifacial cylindrical ones without upper side and then reversed to the bifacial leaves. Transformation of flat bifacial leaves into cylindrical ones (leaf radialization) as caused by suppression of their upper (leaf abaxialization) or lower (leaf adaxialization) side was repeatedly investigated on the base of classic models of plant genetics. Reverse bifacialization of the leaf was genetically studied only in monocot Juncus prismatocarpus. None of these radialized model plant shows complete set of characteristics of natural unifacial leaves, however, whereas the natural unifacial leaves of monocots sharply contrasts with their dicotyledonous counterparts as they are generated by the secondary leaf apex. Therefore, the genetic control of radialized leaf development as revealed in these model plants could arguably be attributed to the unifacial leaves of dicots whose original apex is never substituted by the secondary one. The uniquely high variability of the facial structure of leaves in the genus Curio, its unquestionable monophilia, the external groups identified and recent origin of the genus all promote to reveal the transformations of the genetic regulation of leaf development that underlyed the evolutio of the leaf in this taxon. We intend to analyze morphology and anatomy of developing leaves of various types and accompanying gene expression to realize whether the secondary bifaciality of leaves in the genus Curio is a genuine evolutionary reversion resulted from the restoration of initial genetic network functioning or a new character which only simulates macroscopically the original one but differs in its morphology/histology and genetic regulation. The data to be obtained will significantly improve our understanding of reversive evolution of the leaf in the genus Curio and also expand our notion of the genetic ground of the morphological evolution in higher plants.

В результате проекта будут определены генетические основы реверсий в роде Curio, будет решен вопрос о возможности повторного рекрутирования элементов генетических сетей для формирования аналогичных структур. Это позволит существенно улучшить понимание процессов морфологической эволюции у высших растений. Помимо этого, благодаря филогенетическому анализу нуклеотидных последовательностей ряда экспрессируемых генов будет улучшено понимание эволюции рода Curio.

Собран необходимый для выполнения проекта набор видов, разработана методика их эффективного культивирования и размножения для получения необходимого объема материала для исследования. - первично бифациальные листья Виды: C. muirii - листья с унифациальным черешком и бифациальной пластинкой Виды: C. kleiniiformis - субунифациальные листья Виды: C. rowleyanus; C. herrianus; C. halianus - унифациальные листья Виды: C. talinoides; C. citriformis - вторично бифациальные листья Виды: C. serpens; C. ficoides - внешняя группа с типично бифациальными листьями Виды: Baculellum articulatum; Gynura aurantiaca Коллектив обладает большим опытом в исследовании растений. В его состав входят специалисты со взаимодополняющими компетенциями, такие как морфологи и специалисты по геномике растений. Участниками коллектива отработана методика анатомо-морфологического анализа морфогенеза листьев изучаемой группы, проведено морфологическое исследование их развития. Ряд участников коллектива имеют большой опыт в проведении геномных исследований, как на модельных, так и немодельных объектах. В том числе создана транскриптомная карта модельного объекта генетики растений Arabidopsis thaliana (http://travadb.org/) проведено изучение закономерностей экспрессии и эволюции генов у немодельных объектов (Capsella bursa-pastoris, нескольких бесхлорофильных растений). Коллектив располагает доступом к необходимому оборудования для выращивания растений (ламинары, климакамеры, ростовая комната), микротомам и световым микроскопам, оборудованию для электронно-микроскопических и молекулярно-биологических исследований (аппараты для суши материала в критической точке и напылению тяжелыми металлами, центрифуги, термостаты, амплификаторы, секвенатор) на базе МГУ им. М.В. Ломоносова, вычислительным мощностям.