ФИЗИОЛОГИЯ ГАПЛОИДНОГО ПОКОЛЕНИЯ СЕМЕННЫХ РАСТЕНИЙ

Руководитель: c.н.с. М.А. Брейгина

Научная группа: н.с. Е.С. Клименко, студ. О.И. Щекалева, студ. С.К. Шалюхина

Грант РФФИ: проект 19-04-00282 «Регуляторный модуль "Активные формы кислорода — ионный транспорт" в контроле репродукции голосеменных и цветковых растений» (Руководитель Брейгина М.А.)

Грант РНФ: проект 19-74-00036 «Редокс-регуляция начальных этапов полового размножения семенных растений in vitro и in vivo» (Руководитель Брейгина М.А.)

Выпускники: Н.М. Максимов (тема диссертации «Регуляторная роль активных форм кислорода в прорастании мужского гаметофита семенных растений», 2019 г.)

Наша группа в контакте

Цель исследования

Пыльцевое зерно — гаплоидный организм, посредством уникального по скорости полярного роста и сложного сигналинга обеспечивающий успех полового размножения у семенных растений. Мы изучаем биохимические механизмы, контролирующие его развитие, функционирование и взаимодействие с женскими тканями. Основные исследовательские задачи включают выяснение роли ионных каналов, мембранного потенциала и активных форм кислорода (АФК) в регуляции жизни этого гаплоидного организма, взаимосвязь этих физиологических систем в пространстве и во времени. Параллельно изучается цитология мужского гаметофита и особенности запуска полярного роста в разных группах растений. В последнее время внимание группы сосредоточено на "диалоге" между спорофитом (пестик/шишка) и растущей пыльцевой трубкой, и здесь пока что больше вопросов, чем ответов!

Базовые методы, используемые в современных исследованиях живой клетки, мы адаптируем применительно к нашим объектам и задачам. Это качественная и количественная широкополосная флуоресцентная микроскопия, конфокальная микроскопия, электронная микроскопия, рентгено-спектральный микроанализ (элементное картирование), спектрофлуориметрия и спектрофотометрия.

Некоторые проекты, реализуемые в группе:

1. Особенности полярного роста у голосеменных растений

Пыльцевая трубка у хвойных растений – более древний объект с полярным ростом, чем мужской гаметофит цветковых, и имеет свои цитологические особенности, а растёт гораздо медленнее. В чем сходства и различия в регуляторных механизмах, которые контролируют полярный рост у этих двух групп растений? Изучая мужской гаметофит голубой ели, мы обнаружили уже несколько ключевых особенностей, о чем с удовольствием вам расскажем. Самое любопытное свойство – биполярное прорастание, то есть одновременное появление двух трубок из одного зерна. Изучение этого феномена только началось, следующий этап работы – in vivo (в шишках).

2. Ионный транспорт в пыльцевых зёрнах и трубках

Уже много лет в нашей лаборатории продолжаются исследования ионных потоков в пыльцевом зерне и трубке, 10 лет назад нами был впервые обнаружен градиент мембранного потенциала в трубке табака, позже мы обнаружили его у ели и лилии и продолжаем исследовать ион-транспортные системы, которые его поддерживают и регулируют. Мы выявили также гиперполяризацию мембраны в пыльцевом зерне, активацию выходных токов K⁺ и Cl^– в пыльце цветковых растений in vitro и на рыльце, сдвиг рН цитозоля у голосеменных. Исследования продолжаются!

3. Редокс-регуляция полярного роста in vitro

Основной тематикой лаборатории в последние годы был ключевой аспект регуляции полярного роста (и поляризации) – активные формы кислорода. Они продуцируются клетками рыльца при опылении, служа сигналом для пыльцы, а также производятся самой пыльцевой трубкой и являются необходимым условием ее роста. Мы изучаем различные аспекты редокс-статуса: производство АФК, их сигнальную роль, механическую роль в клеточной стенке, системы поддержания редокс-баланса, мишени для АФК на плазматической мембране. Особое внимание уделяется регуляции ионных каналов активными формами кислорода. Оказалось, что в процессе прорастания эти системы тесно взаимодействуют. Данные исследования проводятся не только силами лаборатории, но также в сотрудничестве с другими научными направлениями: пэтч-кламп (ФЧЖ), проточная цитометрия (иммунология), протеомика (ИБХ РАН).

Некоторые статьи и книги:

• Breygina M., Klimenko E., Shilov E., Mamaeva A., Zgoda V., Fesenko I. ROS in tobacco stigma exudate affect pollen proteome and provoke membrane hyperpolarization // Plant Biology (in press)
  
• Podolyan A., Luneva O., Breygina M. Oxygen radicals and cytoplasm zoning in growing lily pollen tubes // Plant Reproduction (in press)
  
• Podolyan A., Maksimov N., Breygina M. Redox-regulation of ion homeostasis in growing lily pollen tubes // Journal of Plant Physiology 2019
  
• Breygina M., Maksimov N., Polevova S., Evmenyeva A. Bipolar pollen germination in blue spruce (Picea pungens) // Protoplasma 2019
  
• Maksimov N., Evmenyeva A., Breygina M., Yermakov I. The role of reactive oxygen species in pollen germination in Picea pungens (blue spruce) // Plant Reproduction 2018
  
• Книга: Евменьева А.А., Брейгина М.А. "Актуальные аспекты редокс-регуляции прорастания пыльцевых зёрен ели", 2018. Изд-во LAP LAMBERT Academic Publishing
  
• Breygina MA, Abramochkin DV, Maksimov NM, Yermakov IP Effects of Ni²⁺ and Cu²⁺ on К⁺ and H⁺ currents in lily pollen protoplasts // Functional Plant Biology 2017
  
• Breygina MA, Abramochkin DV, Maksimov NM, Yermakov IP Hydrogen peroxide affects ion channels in lily pollen grain protoplasts // Plant Biology 2016
  
• Учебное пособие: Ермаков И.П., Матвеева Н.П., Брейгина М.А. «Физиология гаплоидного поколения семенных растений», 2016. Товарищество научных изданий КМК Москва
  
• Максимов Н.М., Брейгина М.А., Ермаков И.П. Регуляция ионного транспорта на плазмалемме пыльцевых трубок пероксидом водорода // Цитология 2015
  
• Polevova S., Breygina M., Matveyeva N., Yermakov I. Periplasmic multilamellar membranous structures in Nicotiana tabacum L. pollen grains treated with Ni²⁺ or Cu²⁺ // Protoplasma 2014.