Генетика и селекция, биотехнология

Научно-исследовательскую работу по данной проблеме проводят две лаборатории: 

• математической и молекулярной генетики и  

• лаборатория генетики и цитологии растений.

Лаборатория математической и молекулярной генетики

Организована в 1983 г. при Отделе биохимии и цитохимии БФАН СССР. В начале 1986 г. лаборатория со всем штатом перешла в Институт биологии, руководитель лаборатории д.б.н. Чураев Рустэм Нурович.

Лаборатория проводит исследования в области генетики, клеточной биологии, биотехнологии, включая генную инженерию, с целью выявления закономерностей регуляции жизненных процессов на молекулярном, клеточном и популяционном уровнях.

Основное научное направление: изучение структуры и функции молекулярно-генетических систем управления и динамического способа хранения, кодирования и передачи наследственной информации. Тематика лаборатории формировалась следующим образом:

Получены следующие результаты:

1986-1990 гг. Разработанный Р.Н.Чураевым метод обобщенных пороговых моделей (ОПМ) применен для анализа динамики конкретных молекулярно-генетических систем управления (МГСУ). На основе этого метода построены и исследованы математические модели трех прокариотических систем управления: биосинтезом триптофана, катаболизмом арабинозы и метаболизмом фосфата. Получены кинетические кривые для молекулярных компонентов (мРНК, белков, матаболитов) рассматриваемых систем.

Предложена генетическая конструкция позволяющая управлять экспрессией фосфатного регулона путем изменения внешней среды.

Сконструирована серия рекомбинатных плазмид, содержащих регуляторные элементы геномов R-фага и E.coli, с прямой и каскадной регуляцией экспрессии генов.

1991-1995 гг. Методом обобщенных пороговых моделей построены и исследованы математические модели ряда эукариотических моногенных систем с положительной обратной связью, управляющих экспрессией гомеотических генов у Drosophila. Показано, что эти системы обладают эпигенными свойствами.

Решена задача оптимального управления динамикой бактериального фосфатного регулона с целью максимализации выхода щелочной фосфатазы молекулярного компонента регулона.

Установлено, что рекомбинантный штамм E.coli pMK16 метаболизирует 2,4-Д с образованием гидроксилированных интермедиантов.

Проведены сравнительные исследования физиологических и биохимических особенностей штаммов-деструкторов фенола и его хлорированных производных бактерий родов Bacillus, Acthrobacter, Agrobacterium, Pseudomonas. Получены кривые роста штаммов и кинетические кривые для субстратов в условиях периодической культуры. Выявлены генетические маркеры устойчивости к антибиотикам и внехромосомные элементы генома. С использованием клонированных генов деградации 2,4-Д штамма Bacillus subtilis проведено сравнительное исследование генов деградации 2,4-Д штаммов рода Pseudomonas и Arthrobacter. Показано, что клонированные генетические детерминанты не имеют гомологии в геномах штаммов Ps.putida и A.variabilis.

Методом аффинной хромотографии выделены “трипсиноподобные” протеолитические и “трипсин-ингибиторные” комплексы из клеточных ядер проростков пшеницы. Показано, что они представляют собой нуклеопротеиды, находящиеся в подвижной взаимосвязи с ядерным матриксом в период морфогенеза на ювенильной стадии онтогенеза. Установлено, что если активные протеолитические процессы происходят в ядерном матриксе, то в хроматине они полностью прекращаются или ослабляются, и наоборот.

1996-2001 гг. Разработаны основы математического аппарата неканонической теории наследственности. На математических моделях систем управления онтогенезом доказано существование функциональной наследственной памяти, состоящей не менее чем из одной элементарной ячейки (биотона). Биотоны способны сохранять функциональные состояния генов в онтогенезе и обеспечивать передачу кодируемой этими состояниями функциональной информации в ряду последовательных генераций.

Уравнение динамики активностей генов позволяет очертить область применения этого уравнения, а именно: оно описывает динамику активностей в рамках микроподхода, в микромасштабе времени, когда время измеряется числом генераций.

Сравнительными исследованиями оксигеназной системы генов однодольных и двудольных растений, бактерий и животных (куры) с использованием рМК1б установлено, что генетические детерминанты катаболизма 2,4 Bacillus subtilis детектируются в Barn HI фрагментах генома.

Разработаны основы теории эпигенов: доказано существование нового класса наследственных единиц – эпигенов, способных обуславливать наблюдаемые феномены наследования приобретенных признаков и могущих служить основой недарвиновских стратегий эволюции. Получены в общем виде уравнения динамики активностей генов для генных и эпигенных сетей. Впервые спроектирован и сконструирован двухкомпонентный стационарный эпиген с заданными и управляемыми наследуемыми динамическими свойствами, функционирующий in vivo.

Лаборатория генетики и цитологии растений

Организована в 1992 г. на базе тематической группы генетики и цитологии пшеницы, выделенной, в свою очередь, из состава лаборатории математической и молекулярной генетики. С 1992 г. по 1995 г. лабораторию возглавляла к.б.н. Валентина Юрьевна Горбунова, а с 1996 г. лабораторию возглавляет к.б.н. Наталья Николаевна Круглова. Тематика исследований:

Основные научные результаты:

Изучены физиологические особенности андрогенеза in vitro у пшеницы. Установлена зависимость индукции андрогенного эмбриоидогенеза и каллусогенеза как путей спорофитного морфогенеза in vitro от концентрации экзогенного фитогормона 2,4-Д; в свою очередь, концентрация экзогенного фитогормона коррелирует с уровнем (количеством и качеством) эндогенных фитогормонов.

Проведен цитолого-гистологический анализ состояния пыльников пшеницы как сложных интегрированных систем в начальные этапы культивирования, до визуального проявления андроклинных структур на поверхности пыльника, выявлена критическая фаза развития микроспоры. Показано принципиальное сходство цитологического статуса морфогенных микроспор и зиготы. Сделан вывод об универсальности строения клеток, дающих начало новым растительным организмам, независимо от системы размножения.

Проведен сравнительный морфологический и цитолого-гистологический анализ андрогенных эмбриоидов и каллусов пшеницы в динамике их развития: от морфогенной микроспоры до зрелого эмбриоида (каллуса), и далее – растения-регенеранта.

Разработанный метод анализа поверхности растительных образцов с использованием сканирующей электронной микроскопии применен по отношению к развивающимся андрогенным эмбриоидам и каллусам сорта пшеницы.

Разработана оригинальная периодизация андрогенного эмбриоидогенеза in vitro в сравнении с зиготическим эмбриогенезом in vivo у пшеницы.

Разработана концепция эмбриоидогении как системы гомофазной репродукции в условиях культуры изолированных пыльников (на примере пшеницы).

До организации лаборатории тематической группой генетики и цитологии пшеницы изучены генетические механизмы детерминации альтернативных путей развития микроспор в культуре изолированных пыльников пшеницы. Выдвинута гипотеза о путях гормональной регуляции андрогенеза in vitro. В общем плане, предложенные подходы используются в биотехнологии для выведения в короткие сроки гомозиготных дигаплоидных гибридных линий яровой пшеницы с целью получения конкурентоспособных засухоустойчивых селекционных и продуктивных селекционных линий для условий Южного Урала. При этом выход растений-регенерантов повышается до 70-80% от числа культивируемых пыльников (для сравнения – у зарубежных коллег выход эмбриоидов – 15-20%).