Роль синтеза олигосахаридов рафинозного ряда в регуляции транспорта ассимилятов у высших растений

Проект предполагает развитие одного из приоритетных направлений физиологии и молекулярной биологии растений – изучения транспорта ассимилятов и механизмов его регуляции. Выдвинуто и будет проверяться предположение, что синтез олигосахаридов рафинозного ряда (РФО) является фундаментальной характеристикой клеток-спутников флоэмных окончаний двудольных растений. Для проверки этого предположения будет проведено сравнение локализации синтеза РФО на клеточном уровне в листьях у растений с разным типом клеток-спутников терминальной флоэмы. В ходе выполнения проекта предполагается изучить регуляцию генов ферментов синтеза транспортируемых по флоэме РФО, специфично экспрессирующихся в клетках-спутниках загрузочных терминалей флоэмы. Будут идентифицированы физиологические факторы, а затем и молекулярные механизмы (компоненты путей трансдукции сигналов в клетках-спутниках), регулирующие экспрессию генов синтеза РФО в клетках- спутниках флоэмных окончаний. Поскольку синтез РФО во флоэме непосредственно сопряжен с оттоком ассимилятов, то выявление факторов, влияющих на уровень синтеза РФО в терминальной флоэме, и механизмов трансдукции этих сигналов вносит существенный вклад в понимание регуляции загрузки флоэмы и флоэмного транспорта в целом. Подобные исследования пока не развертывались в других лабораториях, занимающихся исследованиями флоэмного транспорта, в этом новизна проекта, который базируется на значительном научном заделе авторского коллектива. Также будет исследоваться роль самих молекул РФО и предшественников их синтеза в регуляции транспорта ассимилятов. Анализ полученных в ходе работы над проектом результатов выявит молекулярные механизмы регуляции генов синтеза РФО в клетках-спутниках терминальной флоэмы и значительно расширит понимание регуляции загрузки флоэмы и транспорта ассимилятов у всего класса двудольных растений.

В ходе первого года выполнения проекта предполагалось проанализировать локализацию экспрессии генов ферментов биосинтеза РФО в листьях симпластных и апопластных двудольных, отличающихся структурой клеток-спутников (КС) флоэмных окончаний, и начать исследование регуляции экспрессии гена стахиозосинтазы AmSTS1, активного в КС загрузочных терминалей флоэмы симпластного вида Alonsoa meridionalis. Поставленные в проекте задачи на 2004 год выполнены в полном объеме. 1) Установлено, что экспрессия гена, кодирующего галактинолсинтазу AtGolS2, в листьях Arabidopsis thaliana имеет место в КС флоэмы. Выявлены четыре экспрессирующихся во флоэме загрузочных терминалей A. thaliana изоформы генов УДФ-глюкозо-4-эпимераз, синтезирующих предшественник биосинтеза галактинола УДФ-галактозу. Эти данные показывают, что компоненты пути биосинтеза РФО присутствуют во флоэме не только у симпластных растений, но и у A. thaliana – растения с апопластной структурой терминальной флоэмы. 2). Анализ терминальной флоэмы Asarina barclaiana и Alonsoa meridionalis позволил сопоставить структуру КС с данными по градиентам концентраций сахаров и градиентам осмотического давления в клетках листьев. Данные не подтверждают постулированную в модели «полимеризационной ловушки» (Turgeon, 1996) функцию синтеза РФО в загрузке флоэмы по симпласту. На основании полученных данных нами предложена новая модель симпластной загрузки, основанная на (i) принципе массового тока по симпласту из мезофилла во флоэму; (ii) одновременной апопластной энергизованной загрузке; (iii) чувствительности плазмодесм к градиенту тургорного давления между тканями. 3). У вида Datisca glomerata нами обнаружена новая неизвестная ранее у растений транспортная форма сахаров – рутиноза. Таким образом, впервые во флоэме растений был обнаружен восстанавливающий дисахарид. 4). Исследованы факторы, модулирующие активность промотора гена стахиозосинтазы AmSTS1 из симпластного вида Alonsoa meridionalis. Анализ экспрессии химерного гена AmSTS1-GUS будет продолжен в мутантах Arabidopsis с нарушенной трансдукцией гормональных сигналов и сигналов сахаров. Завершено исследование тканеспецифичности экспрессии AmSTS1-GUS в ходе цикла развития Arabidopsis. Полученные данные подтверждают, что функция AmSTS1 узкоспецифична для окончаний флоэмы донорных органов.