Разнообразие, биология и эволюция гетеротрофных растений в свете морфологических и геномных данныхНИР

Diversity, biology and evolution of heterotrophic plants inferred from morphological and genomic data

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 29 июля 2021 г.-30 июня 2022 г. Разнообразие, биология и эволюция гетеротрофных растений в свете морфологических и геномных данных
Результаты этапа:
2 1 июля 2022 г.-30 июня 2023 г. Разнообразие, биология и эволюция гетеротрофных растений в свете морфологических и геномных данных
Результаты этапа: Получены результаты по всем заявленным и нескольким дополнительным направлениям работ. В ходе полевых работ собран дополнительный материал по нескольким целевым таксонам проекта. Всего собрано восемь видов бесхлорофилльных растений, относящихся к пяти семействам покрытосеменных. Обнаружены новые местонахождения Burmannia itoana (Burmanniaceae), что позволило обновить представления об ареале этого редкого вида. Изучена репродуктивная биология Monotropa hypopitys (Ericaceae). Выявлено двухфазная фенология функционирования цветка, включающая женскую фазу (определяемую по влажному рыльцу) и обоеполую фазу (определяемую по влажному рыльцу и вскрывшимся пыльникам). Пойманы и идентифицированы посетители цветков M. hypopitys. Наиболее массовыми посетителями являются шмели (Bombus sp., Hymenoptera), также отмечены посещения мухами-журчалками (Syrphidae, Diptera) и единичные посещения жуками. Прослежено, что шмели в ходе посещения цветка M. hypopitys собирают и нектар, и пыльцу. Достигать нектара им позволяет хоботок, соответствующий по длине глубине шпорцев. Шмели переносят большое количество пыльцы данного растения, что подтвердилось изучением палинологического состава смывов с тел пойманных шмелей. Сделан вывод о том, что шмели являются наиболее вероятными опылителями M. hypopitys. Продолжено комплексное изучение Epirixanthes (Polygalaceae). С использованием сканирующего электронного микроскопа получена информация о таксономически важных морфологических признаков у девяти образцов. Сгенерирована матрица состояний признаков для всех 14-ти изученных на данный момент образцов. Состояния признаков образцов и их комбинации сопоставлены с таковыми, указываемыми для видов Epirixanthes в литературных источниках. Показана вариабельность числа тычинок у E. kinabaluensis в диапазоне от 3 до 5, и подтверждено инвариантное наличие 5 тычинок в андроцее E. elongata. Собранный в первый год выполнения проекта образец Nuraliev 3436 предварительно определен как Epirixanthes cf. kinabaluensis. Подготовлена к полногеномному секвенированию ДНК из особо сложных для выделения образцов, для чего были оптимизированы условия подготовки библиотек. Для части этих образцов получены результаты секвенирования. Получены результаты полногеномного секвенирования образца Rhopalocnemis phalloides (Balanophoraceae), собранного в первый год выполнения проекта. Собран его пластидный геном. Проведена аннотация пластидных геномов этого и двух ранее отсеквенированных образцов. Выявлено, что пластидные геномы пяти изученных к настоящему моменту образцов имеют одинаковый генный состав и коллинеарны. Проведена оценка полиморфизма пластидных геномов R. phalloides. Среднее попарное нуклеотидное составило 68.2%, среднее попарное сходство белок-кодирующих областей генов - 73.2%, среднее попарное сходство рРНК-кодирующих генов - 80.6%, среднее попарное сходство белков - 62.7%. По каждому из этих показателей изученный геном является наиболее полиморфным из известных науке геномов. Изучено строение и развитие репродуктивных структур Balanophora aphylla (Balanophoraceae) с использованием серийных микротомных срезов, микротомографии и сканирующего электронного микроскопа. Показано мутовчатое расположение цветков в мужском соцветии, что противоречит описанию в протологе данного вида. Продемонстрирована вариабельность брактей мужских цветков: некоторые из них цельные, тогда как другие двулопастные. Выявлена вариабельность мерности околоцветника мужских цветков в диапазоне от 4 до 6 листочков. Пыльцевые зерна развиваются в «пыльцевых мешках» неясной морфологической природы. Пыльцевые мешки расположены в один ряд на поверхности синандрия наподобие лент. При этом они имеют разную форму и размер, в некоторых случаях сливаются друг с другом. Синандрий в мужских цветках иннервируется веером из расположенных в одной плоскости проводящих пучков, что согласуется с идеей расположения элементов андроцея в один ряд. Обнаружено, что булавовидные органы женских соцветий (между которыми находятся цветки) располагаются хаотично, что противоречит их интерпретации как бракте й или боковых веточек соцветия. С использованием оригинальных данных о строении ДНК пяти образцов построена молекулярно-филогенетическая реконструкция Balanophora (Balanophoraceae). Установлено, что недавно описанный вид B. aphylla является близкородственным видом к широко распространенному B. latisepala, что согласуется с морфологическим сходством этих видов. На основании материала, собранного в первый год выполнения проекта, описан новый для науки вид Didymoplexis gibbosa Aver. & Nuraliev (Orchidaceae). Выявлены основные морфологические отличия D. gibbosa от всех остальных видов рода, а именно - мясистый диск губы и наличие папилл на каллусе и вдоль двух ребер диска. Сформулированы дополнительные отличия D. gibbosa от наиболее сходного с ним D. pallens. Сделано заключение о необычной фенологии цветения D. gibbosa: цветки открываются ночью и опадают рано утром. Охранный статус D. gibbosa оценен как «на грани исчезновения» (Critically Endangered). Проанализировано морфологическое разнообразие и таксономия голопаратитического вида Aeginetia acaulis (Orobanchaceae). Продемонстрировано, что описанный из Индии A. sessilis не имеет четких морфологических отличий от A. acaulis, и представляет собой морфу A. acaulis, характеризующуюся короткими цветоножками. В соответствии с этим, предложено синономизировать A. sessilis с A. acaulis. В частности, показано, что размер семян, указываемый как важный признак A. sessilis, на самом деле не позволяет отграничить его от A. acaulis. Выявлено что типовой образец A. sessilis, обладает явными, хотя и короткими (около 0.5 см длиной), цветоножками, несмотря науказанное в протологе полное отсутствие цветоножки. Впервые обнаружены растения с короткими цветоножками в другой части ареала A. acaulis, а именно во Вьетнаме. Составлен ключ для определения видов рода Aeginetia в странах Индокитая. Для двух видовых названий в роде Aeginetia (A. acaulis и его гетеротипного синонима A. abbreviata) выбраны лектотипы. Получены данные о строении пластидного генома рода Vietorchis (Orchidaceae) и по положению этого рода в филогении семейства. Для обоих видов рода получены полногеномные сиквенсы. Проведена первичная сборка и аннотация пластидного генома V. furcata. Показана высокая степень редуцированности генома: его длина составляет менее 66 000 пар оснований. В пластоме выявлено 45 генов и 12 псевдогенов. Выявлено, что из изученных к настоящему моменту орхидных ближайшим родственником Vietorchis является автотрофный род Sirindhornia из подтрибы Orchidinae (подсемейство Orchidoideae), что ставит под сомнение правомерность выделения Vietorchis в самостоятельную подтрибу Vietorchidinae. Получены данные о строении пластидного генома и оперона ядерной рибосомной РНК для четырех видов рода Burmannia (Burmanniaceae, Dioscoreales): полуавтотрофного B. coelestis, полностью автотрофного B. disticha и микогетеротрофных B. itoana и B. oblonga. Для каждого из этих видов получена оценка изменчивости пластома. У всех видов обнаружен низкий уровень внутривидовых различий (не более 1%), который ранее не был известен ни у каких гетеротрофных растений.
3 1 июля 2023 г.-30 июня 2024 г. Разнообразие, биология и эволюция гетеротрофных растений в свете морфологических и геномных данных
Результаты этапа: 1. Сделаны запланированные доклады на конференции "Генетика, Геномика, Биоинформатика и Биотехнология растений" (PlantGen 2023), а также доклады на Всероссийской научной конференции с международным участием, посвященной 125-летию академика Н.В. Цицина, и на Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2024». 2. Получены результаты молекулярно-филогенетического и геномного анализа Epirixanthes (Polygalaceae). К полученной ранее в рамках проекта выборке для филогенетического анализа добавлены данные по 17-ти образцам. Эти данные получены методом высокопроизводительного секвенирования и включают последовательности трех маркеров. Впервые получены филогенетические реконструкции, включающие все семь принимаемых в настоящее время видов рода. Показано, что род Epirixanthes включает 4 основные клады, представляющие собой три пары видов (E. kinabaluensis + E. cylindrica; E. papuana + E. compressa; E. elongata + E. confusa) и вид E. pallida. В пределах каждой пары видов решен вопрос об их самостоятельности на основании полученных филогенетических и морфологических данных. Epirixanthes confusa в некоторых полученных реконструкциях занимает положение внутри E. elongata, но в анализе конкатенированного набора ядерных маркеров данный вид является сестринским к E. elongata. Несмотря на то, что морфологически E. elongata и E. confusa достаточно сходны, предварительно сделан вывод о самостоятельности этих видов. Затем, E. papuana + E. compressa отличаются морфологически, а филогенетические данные не дают однозначного результата; по это причине мы предварительно трактуем эти виды как отдельные. Наконец, E. cylindrica в филогенетических реконструкциях занимает, в основном, положение внутри E. kinabaluensis, и, кроме того, эти виды не обнаруживают явных морфологических отличий. По всей видимости, E. kinabaluensis следует считать синонимом E. cylindrica. Таким образом, образец Nuraliev 3436, собранный во Вьетнаме, следует относить к E. cylindrica sensu lato, что расширяет известный ареал этого вида до территории Восточного Индокитая. Эволюция важных таксономических признаков реконструирована методом наложения их состояний на полученное молекулярно-филогенетическое дерево. Выявлено высокое число морфологических апоморфий у клады E. elongata + E. confusa. Показано, что ряд признаков характеризуются эволюцией с высоким уровнем гомоплазии: так, свободнолистная чашечка возникала трижды, а заостренная верхушка соцветия – дважды. Получены данные о строении пластидных геномов четырех видов Epirixanthes. Сравнительный анализ пластомов этих видов, а также опубликованных ранее пластомов E. elongata и автотрофного рода Salomonia (ближайшего родственника Epirixanthes) показали значительные отличия как Epirixanthes от Salomonia, так и видов Epirixanthes друг от друга. В частности, различия в нуклеотидных последовательностях функциональных генов составляют от 3 до 9%. 3. Получены результаты финальных анализов, посвященных разнообразию пластидных геномов Rhopalocnemis phalloides (Balanophoraceae). Продемонстрировано, что, несмотря на очень высокий внутривидовой полиморфизм пластидных генов R. phalloides, на эти гены действует сильный отрицательный отбор. Также показано, что полиморфизм в генах неравномерно распределен по длине: начала и концы генов, в среднем, более полиморфны, чем средние части. Обнаружено, что продукт гена trnE (РНК, которая у типичных растений функционирует, в том числе, как глутаминовая тРНК), у R. phalloides, вероятно, работает только в пути синтеза гема. 4. Получены результаты, завершающие комплексное изучение Balanophora (Balanophoraceae). Установлен тип филлотаксиса двух целевых видов проекта - B. aphylla и B. latisepala. Выявлено, что женские соцветия обоих видов обладают хаотичным расположением булавовидных структур, несущих цветки (часто считающихся ветвями соцветия). Такой филлотаксис, с одной стороны, можно интерпретировать в пользу трихомной природы булавовидных структур, однако сами женские цветки на этих структурах также расположены хаотично, что ставит под сомнение применимость данного критерия для установления морфологической природы булавовидных структур. Выявлено межвидовое отличие, заключающееся в строении поверхности булавовидных структур: у B. latisepala она имеет слабо выраженные морщинистые бугорки, в то время как у B. aphylla верхушка булавовидной структуры выраженно-бугристая. Это отличие имеет ценность для систематики рода. Впервые обнаружено, что B. aphylla и B. latisepala имеют существенные различия по филлотаксису мужских соцветий, что является дополнительным структурным признаком, подтверждающим таксономическую независимость двух этих видов. Мужские соцветия B. latisepala характеризуются спиральным филлотаксисом, а таковые B. aphylla – мутовчатым, причем число цветков в мутовке варьирует от двух-трех до восьми. В типе соцветие B. aphylla цилиндрическое, однако выявлены и конические соцветия, у которых в самой широкой зоне развиваются добавочные цветки, нарушающие расположение цветков строго по ортостихам. Выявлена внутривидовая вариабельность у B. aphylla, касающаяся начальных этапов развития мужских цветков. У части мужских растений примордии цветков плохо различимы, все листочки околоцветника появляются более или менее одновременно, а брактея выраженно-лопастная. У других, напротив, примордии цветков четко различимы, медианный абаксиальный и трансверсальные листочки околоцветника закладываются раньше, чем медианный адаксиальный листочек, а брактея более цельная. Документированы структурные особенности синандрия B. aphylla и предложена его морфологическая интерпретация. Выявлены участки синандрия, соответствующие тычинкам; таких участков у этого вида обычно 6 или 7. В ходе развития тычинки на ее поверхности появляются борозды, делящие ее на теки. В тычинках выявлено от 2 до 5 тек. Показано, что тычинки являются синтекальными. Наконец, теки дополнительно расщепляются поперечными перегородками. Поперечные перегородки обнаружены и при изучении синандриев B. latisepala, что опровергает имевшиеся представления об их отсутствии у этого вида. Впервые показано, что «пыльцевые мешки» - компартменты, выявленные в сформированных синандриях – морфологически обычно соответствуют участку теки. Филогения рода Balanophora реконструирована на основе участка nr18S. Для этого de novo получены данные о строении этого участка у пяти образцов, включая образец, собранный в ходе выполнения проекта. Показано, что образцы B. aphylla и B. latisepala в совокупности формируют субкладу в пределах клады, соответствующей подроду Balanophora. Внутри этой субклады, однако, имеет место политомия. Сделан вывод о том, что филогенетические данные согласуются с морфологическими относительно близкого родства этих видов, но изученный участок ДНК не демонстрирует таких явных межвидовых отличий, которые обнаружены в области морфологии. 5. Впервые получены и опубликованы результаты молекулярно-филогенетического и геномного анализа Vietorchis, микогетеротрофного рода Orchidaceae с необычной морфологией и неясными эволюционными связями (Samigullin et al., 2024). Подтверждена принадлежность Vietorchis к подсемейству Orchidoideae, что предполагает гомопластичную эволюцию подземных побегов орхидей, связанную с переходом к гетеротрофии: доказано, что сходство корневищ Vietorchis с таковыми микогетеротрофных таксонов Epidendroideae и Vanilloideae носит конвергентный характер. Показано, что Vietorchis относится к трибе Orchideae и глубоко погружен в подтрибу Orchidinae. Таким образом, впервые подтверждена необходимость синонимизации подтрибы Vietorchidinae с Orchidinae. Включение Vietorchis в одну из двух основных клад Orchidinae полностью согласуется с морфологией цветков. Показано, что Vietorchis филогенетически находится в соседстве с крупным родом Hemipilia и является сестринским к Sirindhornia (оба рода полностью автотрофны). Охарактеризован пластидный геном одного из видов Vietorchis, V. furcata. Установлено, что пластом имеет длину 65969 п.н. и содержит 45 уникальных генов и 17 псевдогенов. С одной стороны, структура пластома типична для нефотосинтезирующих растений отсутствием каких-либо функциональных генов, связанных с фотосинтезом. С другой стороны, однако, структура пластома демонстрирует необычные гетерохронные закономерности, выражающиеся в сосуществовании сильно редуцированного набора генов с сохранением псевдогенов и с отсутствием масштабных геномных перестроек. 6. Получены результаты поиска пластидных геномов у представителей семейства Triuridaceae. Впервые получены данные полногеномного секвенирования для трех видов: Sciaphila arfakiana, Sciaphila nana и Sciaphila barbata (= Seyсhellaria barbata). Осуществлена сборка полученных данных и поиск в них пластомных участков с использованием пластомов Sciaphila densiflora и Sciaphila thaidanica в качестве референса. Ни в одном из изученных образцов не было обнаружено контигов, которые можно было бы отнести к пластомам Sciaphila. В качестве проверки на наличие пластомных участков в данных секвенирования и их слишком низкое покрытие проведено картирование полученных чтений на пластом Sciaphila densiflora. Картирование было успешным для крайне небольшого числа чтений, большая часть из которых приходились на гены рРНК и, вероятно, представляют собой последовательности гомологичных генов ядерного и/или митохондриального генома. Важным результатом является отсутствие в картированных чтениях гена тРНК trnE, который считается универсальным для пластомов всех растений. Таким образом, показано, что доступные методы поиска пластидной ДНК дают для изученных образцов отрицательный результат. С учетом доступных филогенетических данных сделан вывод о том, что в роде Sciaphila sensu lato имеется клада, в основании которой пластом был полностью утерян. 7. Получены результаты молекулярно-филогенетического и геномного анализа Burmannia (Burmanniaceae). К полученной ранее в рамках проекта выборке добавлены данные высокопроизводительного секвенирования по 10-ти образцам, относящимся к шести видам. Получены филогенетические реконструкции, основанные на данных о строении двух ядерных и одного митохондриального участка ДНК, а также на данных о строении девяти пластидных генов. Эволюция набора структурных и экологических признаков реконструирована методом наложения их состояний на полученное молекулярно-филогенетическое дерево. Установлено, что переход от автотрофности к гетеротрофности (бесхлорофилльности) в пределах Burmannia имел место как минимум три раза. Обнаружено, что в нефотосинтезирующих линиях эволюции имеется тенденция к сокращению числа цветков в соцветии, то есть к редукции исходного для Burmannia соцветия (тирсоида из двух извилин) до соцветия типа ботриоид. В кладе, включающей микогетеротрофные виды B. cryptopetala, B. lutescens, B. nepalensis, B. oblonga, обнаружена тенденция к редукции внутреннего круга околоцветника, выражающаяся в отсутствии внутренних листочков вследствие их недоразвития, либо в их очень малом размере. Гиностегий в ходе эволюции Burmannia возникал как минимум четыре раза. На основании полученных в отчетный период первичных сборок охарактеризованы пластидные геномы четырех видов, из которых наиболее полные данные получены для B. lutescens. Выявлено, что длина пластома B. lutescens составляет 94 т.п.н., в его составе обнаружено 48 генов. С привлечением ранее публикованных данных обобщены представления о разнообразии пластома в роде Burmannia. Выявлено, что самым коротким пластомом обладает полностью микогетеротрофный вид B. oblonga (длина 39 т.п.н., 29 генов), а самым длинным - автотрофный вид B. disticha (длина 157 т.п.н., 86 генов). Пластом частично микогетеротрофного вида B. coelestis по длине и набору генов сходен с таковым B. disticha. Обнаружено, что микогетеротрофные виды Burmannia значительно различаются по строению пластидного генома. Прослежены эволюционные пути редукции пластома в роде. Выявлены две клады, в которых редукция пластома происходила независимо. Показан поэтапный характер сокращения длины и генного состава пластома в одной (более богатой видами) из этих клад. На первом этапе пластом теряет гены, связанные с NADH-дегидрогеназой и гены, расположенных преимущественно в малой однокопийной области. На более поздних этапах исчезают все или некоторые гены, связанные с фотосинтезом, а также гены тРНК. 8. Опубликованы результаты изучения репродуктивной биологии Burmannia disticha (Burmanniaceae) (Vislobokov, Nuraliev, 2023). Данный раздел работ является первым комплексным исследованием биологии опыления вида Burmanniaceae на основе полевых наблюдений в естественной среде обитания вида. Показано, что B. disticha не только обладает энтомофильным синдромом, включающим открытое состояние околоцветника в период цветения, но и действительно привлекает посетителей (насекомых), принадлежащих к группам, которые известны как переносчики пыльцы. Как показывают наши данные, закрытый тип цветочной трубки (с входом, перекрытым тычинками и стилодием) не препятствует доступу насекомых к пыльце, рыльцам и нектару. Это позволило охарактеризовать цветки B. disticha как хазмогамные. В соответствии с размером, формой и доступностью нектарсодержащей цветочной трубки посетителями цветков B. disticha являются насекомые с длинными хоботками. Продемонстрировано, что шмели (Bombus burmensis) являются наиболее эффективными опылителями, исходя из частоты их посещения и обилия пыльцы Burmannia на их теле. Кроме того, потенциально значительную роль в опылении B. disticha играют чешуекрылые. Сделан вывод о том, что B. disticha обладает набором адаптаций к ксеногамному опылению с использованием нектаропотребляющих насекомых в качестве переносчиков пыльцы. В то же время, существуют свидетельства автогамии у этого вида, среди которых - соотношение числа пыльцевых зерен и семязачатков, впервые установленное в данном исследовании, и завязывание семян в закрытом цветке, наблюдаемое Zhang (1999). Мы предполагаем, что B. disticha демонстрирует лабильную стратегию опыления с ксеногамией в качестве основной системы воспроизведения. 9. Опубликованы результаты таксономической ревизии рода Didymoplexiella из семейства Orchidaceae на территории Восточного Индокитая, включающей образцы, собранные в первый год выполнения проекта (Nuraliev et al., 2023). Предложена новая концепция морфологического разграничения видов в этом роде. Показано наличие трех видов рода в Восточном Индокитае. Показана ключевая роль ограниченного числа признаков строения губы цветка в определении видовой принадлежности образцов Didymoplexiella. Выдвинута гипотеза о том, что род содержит меньшее число биологических видов, чем считается в настоящее время.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".