КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 23-14-00230

НазваниеИнтегративная таксономия трибы Cimicifugeae (Ranunculaceae)

РуководительЭрст Андрей Сергеевич, Кандидат биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Центральный сибирский ботанический сад Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2025 г.

Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 04 - Биология и науки о жизни, 04-102 - Ботаника

Ключевые словаCimicifugeae, Ranunculaceae, интегративная таксономия, филогения, классификация, гибридизация, криптические виды, полногеномное секвенирование (NGS), кариотип, молекулярная цитогенетика, флуоресцентной гибридизации in situ (FISH), метаболом

Код ГРНТИ34.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Исследование биологического разнообразия, родственных связей таксонов различного уровня, процессов гибридизации и видообразования, а также истории становления групп с использованием различных методов, представляет одно из наиболее перспективных и системно развивающихся направлений эволюционной биологии. Современные методы исследования стремительно совершенствуются и могут быть применены к изучаемым объектам. Интегративный подход к таксономии, включающий комплексное изучение микро- и макроморфологических признаков, молекулярной филогении, цитогенетики и биохимии был успешно опробирован на модельных объектах семейства Ranunculaceae в ходе реализации нескольких проектов. Коллективом получен большой объем результатов, значительная часть которых была опубликована в более чем двадцати статьях в ведущих международных изданиях, преимущественно из первого и второго квартиля. Проект направлен на комплексное исследование трибы Cimicifugeae (Ranunculaceae). Данная группа представляет интерес для изучения эволюционных процессов с применением различных подходов к интегративной таксономии. Полученные комплексные данные позволят значительно продвинуться в понимании филогении и систематики, выявить новые морфологические особенности в разных группах и решить многие таксономические вопросы, которые не могли быть решены на морфологическом уровне, без применения комплекса подходов и сбора материалов на популяционном уровне. В ходе реализации проекта будут учтены полученные ранее данные, проведено комплексное изучение морфологических признаков, включая макро- и микроморфологические характеристики, найдены новые признаки для идентификации, которые ранее не указывались в таксономической литературе и проведен статистический анализ данных. Основой для сравнения будут популяции из “locus classicus” известных видов. Будет проведено сопоставление морфологических характеристик с молеклярно-филогенетическими, цитогенетическими и биохимическими параметрами. Этот комплекс данных позволит выявить криптические виды, гибридогенные виды различного генезиса и провести синонимизацию названий «энигматичных» таксонов. Выявление полного таксономического разнообразия позволит произвести реклассификацию на внутриродовом уровне. Филогеография является современным и прогрессивно развивающимся направлением современной эволюционной биологии, позволяет решать обширный круг задач, связанных с изучением эволюционных процессов, исследованием родственных связей организмов. Коллектив заявляемого проекта в значительной степени продвинулся в этом вопросе. Методы секвенирования нового поколения (NGS) способны выявить быстро эволюционирующие локусы и перспективные молекулярные маркеры, которые будут полезны для будущих комплексных исследований. В ходе нового этапа мы планируем комплексное применение как классических, генетических, так и геномных методов исследования. Цитогенетический блок работ при реализации проекта будет выполнен при помощи как классических (прямой и непрямой подсчет хромосом, анализ размера генома), так и современных молекулярно-цитогенетических методов - создание хромосомных карт при помощи FISH, часть из которых успешно была апробирована при реализации предыдущих проектов. Разработанная методика анализа метаболома (скрининг полного метаблолитного состава) листьев Eranthis longistipitata, будет применена к проведению метаболомного профайлинга представителей трибы Cimicifugeae. В результате комплексного исследования будут изучены изменения ареалов в исторической перспективе, криптические виды и гибридизация, проведена реклассификация ряда таксонов, а также исследована эволюция кариотипов. Интегративный подход к таксономии позволит решить проблемы, возникающие при использовании отдельных методов. Данный подход может являться основой для изучения других групп покрытосеменных растений, в том числе и представителей семейства Ranunculaceae.

Ожидаемые результаты
При реализации проекта будут использованы классические анатомо-морфологические, молекулярно-филогенетические, цитогенетические и биохимические подходы. Планируется получить финальные филогенетические деревья и выполнить основную часть морфологических исследований по трибе Cimicifugeae. Благодаря многолетнему опыту и знанию объектов, коллектив будет располагать корректно идентифицированными образцами максимально известного количества таксонов, популяционными выборками. В ходе реализации проекта планируется объединить массивы уже накопленных и новых данных, ответить на большую часть вопросов, связанных с гибридизацией, криптическими видами, а также с эволюцией и классификацией таксонов. В рамках реализации проекта будет проведено разностороннее изучение хромосомных наборов представителей трибы Cimicifugeae при помощи классических цитогенетических и современных молекулярно-цитогенетических методов. На основании полученных результатов по структуре кариотипов, распределению консервативных последовательностей рибосомальной ДНК, А-Т и Г-Ц богатых областей по длине хромосом будут построены цитогенетические карты для ряда таксонов. Комплексный анализ цитогенетических и молекулярно-генетических данных позволит предложить схему эволюции кариотипов у Cimicifugeae. Такие работы для представителей дикорастущей флоры в нашей стране практически не проводятся, тогда как за рубежом данное научное направление представлено более широко и является важной частью комплексных биосистематических и филогенетических исследований. Будут получены новые уникальные данные мирового уровня по метаболому растений трибы Cimicifugeae. Комплексный анализ совокупности морфологических, генетических и фитохимических признаков позволит более полно охарактеризовать данную группу растений и выявить перспективные продуценты редко распространенных в растениях веществ, хромонов и кумаринов, обладающих высокой фармакологической активностью. Будет пополнена мировая база данных по веществам вторичного метаболизма растений семейства Ranunculaceae. Предполагаемый проект имеет большое практическое значение по выявлению новых перспективных продуцентов различных веществ, в том числе имеющих ограниченное распространение в растениях и обладающих высокой фармакологической активностью. Данный скрининг позволит отобрать таксоны или отдельные популяции представителей растений трибы Cimicifugeae с высоким содержанием необходимых веществ. Отобранные таксоны или индивидуальные образцы растений можно размножить в условиях ex-situ или с применением методов биотехнологии и получить биомассу из растений с высоким содержанием функциональных веществ. Интегративный анализ трибы Cimicifugeae в мировом масштабе даст ключ к пониманию эволюционных процессов в других группах цветковых растений, описанию филогенетической классификации отдельных групп. Полученные данные будут полезны как для эволюционной биологии, так и физиологии, экологии, палеобиологии, геномики и медицины. В результате анализа всего комплекса данных будут описаны новые таксоны, проведена синонимизация названий, подготовлены монографические обработки (ревизии) как для отдельных групп, так и для всей трибы Cimicifugeae. Проблемы изменения климата и окружающей среды, риск исчерпания природных ресурсов, в том числе пресной воды, растущие угрозы для устойчивости экологических систем являются одними из приоритетных проблем, которые необходимо решать в долгосрочной перспективе. Исследования и разработки, связанные с изменением климата и направленные на обеспечение устойчивости ресурсной базы развития Российской Федерации, в долгосрочной перспективе, являются основополагающими для развития иных научных разработок и экономического развития. Поэтому наука и технологии являются эффективным инструмент ответа на «большие вызовы». Для выяснения роли климатических и экологических условий в формировании ареала дикорастущих видов растений используется моделирование экологической ниши методом максимальной энтропии с использованием специальных алгоритмов. Использование климатических характеристик прошлых геологических эпох и модели будущих климатов даст возможность моделировать динамику ареала видов, а также время и место перекрывания ареалов и экологических ниш видов, а также выявить возможные зоны гибридизации и формообразования. Использование нескольких независимых моделей прогнозирования динамики распространения видов, их экологической приуроченности, также возможностей распространения и исчезновения видов на определенных территориях может быть потенциально использовано для исследования ресурсных и сельскохозяйственных групп растений, что несомненно отразится на уровне экономического развития конкретных регионов. Помимо этого, решение глобальной проблемы сохранения биоразнообразия растений на современном этапе невозможно без поиска новых стратегий и подходов. В связи с медленным размножением в естественных условиях и высокой антропогенной нагрузкой на природные фитоценозы многие виды находятся под угрозой исчезновения. Для их сохранения необходимо разработать эффективные биотехнологии, позволяющие массово размножать эти виды без нанесения ущерба природным популяциям. Основными сценариями развития науки и технологий в России до 2035 года являются сценарии, основанные на переходе от энерго-сырьевой модели роста к инновационной (рост за счет человеческого капитала и технологий): 1) импорт технологий; 2) научно-технологическое лидерство при традиционной специализации экономики; 3) научно-технологическое лидерство с ориентацией на новую экономику. При этом, международное сотрудничество определяется как доля публикацией с аффилиацией с другими странами или экономиками к доле публикаций национальных авторов рассматриваемой страны или экономики. При этом определение приоритетов в значительной степени зависит от предложений самих исследователей. Поэтому представление результатов исследований в высокорейтинговых журналах несомненно внесет вклад в развитие нашего научного направления и предоставит больше возможностей для международного сотрудничества. Результаты исследований будут опубликованы в виде статей в журналах, индексируемых в базах Web of Science, Scopus и представлены на конференциях различного уровня.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Проведенное изучение ведущих гербарных коллекций (К, BM, E, NS, NSK, ALTB, IRK) и собственных материалов дало возможность составить предварительный конспект трибы Cimicifugeae. Конспект трибы включает роды, их синонимы, список видов, указание гомотипических и гетеротипических синонимов, сведения об аутентичных образцах с указанием их мест хранения, распространение видов согласно странам и общепринятым административным районам этих стран, растительным сообществам, где виды распространены, а также экологии видов. Также намечены новые номенклатурные комбинации для ряда таксонов. В ходе изучения популяций видов в их естественных местообитаниях был собран репрезентативный материал для комплексного исследования из 34 популяций родов Actaea, Eranthis. На гербарном материале проведено морфометрическое изучение признаков собранных в 2023 году видов Actaea и Eranthis, составлены таблицы по количественным и качественным характеристикам таксонов, сделан сбор информации по локациям в пределах ареалов изучаемых видов из ваучеров гербарных коллекций и собственных данных, составлена полноценная база данных для последующего анализа ареалов и поcтроения моделей. Впервые представлена полная филогенетическая систематика Actaea на видовом уровне, а также показаны биогеографические закономерности этого рода. Род Actaea возник в восточной Азии в позднем палеоцене, а затем мигрировал в Северную Америку в среднем эоцене через Тулеанский мост. Род Actaea дважды достигал Европы в конце миоцена. В пределах восточной Азии предполагалось три события расселения: одно из северной части восточной Азии в Японию, одно из южной части Восточной Азии в Японию, и одно из Японии на Тайвань в связи с падением уровня моря в конце миоцена — начале плиоцена. Наши исследования показывают, что листопадные широколиственные леса в Северном полушарии могли распространиться в среднем эоцене (ок. 43 млн лет назад) и стать еще более разнообразными в позднем эоцене – олигоцене (ок. 27–37 млн лет назад), среднем миоцене (ок. 15 млн лет назад) и раннем плиоцене (ок. 5 млн лет назад), что связано с ухудшением климата в течение этих четырех периодов. Насколько нам известно, это первое исследование, в котором типовой таксон использовался в качестве прокси, чтобы пролить свет на историю развития сообщества лимтопадных широколиственных лесов в северном полушарии. При помощи комплексного подхода к цитогенетическому анализу, включающему классический кариоморфологический анализ, анализ главных координат (PCoA), линейный дискриминантный анализ (LDA) и физическое картирование консервативных последовательностей рибосомальных ДНК посредством флуоресцентной гибридизации in situ (FISH), нами показана четкая видоспецифичность организации геномов Eranthis bulgarica, E. cilicica, E. hyemalis, E. kurdica и E. longistipitata из типовой секции Eranthis на хромосомном уровне. Подобные результаты были получены нами ранее для другой секции рода Eranthis – Shibateranthis. Очевидно, это связано с высоким уровнем эндемизма представителей данного рода, их изоляцией и независимой эволюцией, в том числе на уровне кариотипа. Дальнейшее детальное исследование нескольких еще не изученных представителей уникального рода Eranthis, материал по которым удалось получить в 2023 г., позволит охарактеризовать эволюцию кариотипов внутри рода в целом. Впервые обобщены сведения, касающиеся химического состава и полезных свойств видов рода Eranthis мировой флоры. Анализ компонентного состава видов рода Eranthis служит ярким примером плодотворности комплексных исследований, помогая решать в том числе и таксономические проблемы, возникающие при исследовании семейства Ranunculaceae в целом и рода Eranthis в частности у ботаников-систематиков. В отчетный период оптимизированы условия анализа и экстрагирования метаболитов представителей трибы Cimicifugeae методом жидкостной хроматографии с мас-спектрометрией высокого разрешения (LC-HRMS). Получены видоспецифические метаболические паттерны 17 видов растений рода Eranthis методом ненаправленного хромато-масс-спектрометрического метаболомного анализа, основанного обращено-фазовой высокоэффективной квадруполь-времяпролетной хромато-масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением. Проведен поиск веществ в метанольных экстрактах из листьев растений по мировым базам данных. Дальнейшее сравнительное исследование метаболомов представителей рода Eranthis поможет выявить сходство и различие между близкородственными видами. Впервые определен компонентный состав листьев и цветков эндемика Японии Anemonopsis macrophylla с помощью метода LC-HRMS. В метанольном экстракте идентифицировано более 100 соединений. Выявленная в экстрактах из растения A. macrophylla изоферуловая кислота сближает данное растение с растениями рода Cimicifuga, одним из немногочисленных родов, содержащих в своем составе данную кислоту и феруловую кислоту одновременно. Изоферуловую кислоту рассматривают как эталонный компонент показателя качества сырья Cimicifuga. Профили идентифицированных веществ метанольных экстрактов из листьев и цветков идентичны. Выявлены различия в содержании некоторых идентифицированных веществ в экстрактах из листьев и цветков A. macrophylla, что может оказать значительное влияние на проявление биологической и фармакологической активности исследуемых экстрактов.

Публикации

1. Митренина Е.Ю., Алексеева С.С., Бадаева Е.Д., Перуцци Л., Артемов Г.Н., Кривенко Д.А., Пинзани Л., Айтач З., Чечен О., Баасанмунх С., Чой Х.Дж., Местерхази А., Ташев А.Н., Банчева С. ., Лиан Л., Сян К., Ван В., Эрст А.С. Karyotypes and physical mapping of ribosomal DNA with oli-go-probes in Eranthis sect. Eranthis (Ranunculaceae) Plants, - (год публикации - 2023)

2. Эрст А.С., Петрова Н.В., Кайдаш О.А., Ванг В., Костикова В.А. The Genus Eranthis: Prospects of Research on Its Phytochemistry, Pharmacology, and Biotechnology Plants, 12, 3795 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/plants12223795

3. Юань-Юань Лин, Кун-Ли Сян, Хуан-Вэнь Пэн, Андрей С. Эрст, Лянь Лянь, Лян Чжао, Флориан Джаббурф, Вэй Ван Biogeographic diversification of Actaea (Ranunculaceae): Insights into the historical assembly of deciduous broad-leaved forests in the Northern Hemisphere Molecular Phylogenetics and Evolution, September 2023, 107870 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.ympev.2023.107870

4. Митренина Е.Ю. , Кривенко Д.А., Эрст А.С. Исследование кариотипа Центральноазиатского вида Eranthis longistipitata (Ranunculaceae) Республиканская научная конференция «Биоразнообразие растений, животных и генетических ресурсов горного Бадахшана» (Таджикистан, Хорог, 17–18 августа 2023 г.), №1, С. 77-78 (год публикации - 2023)

5. - Генетики выяснили, когда в Северном полушарии появились широколиственные леса РНФ, 8 сентября 2023 (год публикации - )

6. - Растение воронец «рассказало» о распространении лиственных лесов в Северном полушарии Поиск, 6 сентября 2023 (год публикации - )