Интегративная таксономия трибы Cimicifugeae (Ranunculaceae)

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 проекта 23-14-00230

НазваниеИнтегративная таксономия трибы Cimicifugeae (Ranunculaceae)

Руководитель Эрст Андрей Сергеевич, Кандидат биологических наук

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

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 слова Cimicifugeae, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. 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)
10.3390/plants12223795

2. 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)
10.1016/j.ympev.2023.107870

3. 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)

4. 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)

5. Митренина Е.Ю., Эрст А.С. Исследование кариотипов растений трибы Cimicifugeae в рамках интегративного подхода к таксономии XIX Всероссийский симпозиум «Структура и функции клеточного ядра», С. 97–99. (год публикации - 2024)

6. Митренина Е.Ю., Алексеева С.С., Эрст А.С. Цитогенетическое изучение растений трибы Cimicifugeae Научные чтения, посвященные 60-летию кафедры генетики и клеточной биологии Томского государственного университета, Томск (23–26 сентября 2024 г.) , С. 28–29 (год публикации - 2024)

7. Костикова В.А., Петрова Н.В., Черноносов А.А. , Коваль В.В. , Ковалева Е.Р. , Ван В., Эрст А.С. Chemical Composition of Methanol Extracts from Leaves and Flowers of Anemonopsis macrophylla (Ranunculaceae) International Journal of Molecular Sciences, 12;25(2):989 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.3390/ijms25020989

8. Митренина Е.Ю. , Эрст А.С., Кривенко Д.А., Веклич Т.Н., Леонова Т.В., Чернягина О.А., Якубов В.В., Сян К., Лин Ю.-Ю., Ван В. A karyomorphological study on Actaea acuminata, A. asiatica, and A. erythrocarpa (Ranunculaceae) Acta biologica sibirica, 10: 1445–1460 (год публикации - 2024)
doi: 10.5281/zenodo.14280678

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате выполненных за отчетный период работ были получены репрезентативные гербарные, живые материалы и образцы для выделения ДНК, собранные на популяционном уровне из разных точек ареалов изучаемых таксонов. На гербарном материале проведено изучение морфометрических признаков у образцов видов Beesia, Actaea и Eranthis, собранных в 2023–2024 годах, 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. Проведеный статистический анализ данных по морфологии Beesia и Eranthis, в том числе микроскопический анализ трихом позволил выявить отличия между видами. В ходе исследования были использованы схемы классического секвенирования по Сэнгеру и технология скимминга генома для получения последовательностей пластидного генома и ядерной рДНК, а также реконструированы надежные филогенетические деревья. Проведенный анализ позволил построить качественные филогенетические деревья с высокой поддержкой основных клад для всех видов Eranthis, Beesia на популяциооном уровне в мировом масштабе, для рода Actaea на популяционном уровне из России и Китая с привлечением всех видов этой группы из других регионов. Проведено сравнительное изучение кариотипов восьми видов трибы: Actaea acuminata, A. asiatica, A. erythrocarpa, Beesia calthifolia, B. deltophylla и B. yangii sp. nov., Eranthis lobulata и E. albiflora. Для B. yangii sp. nov. и E. albiflora данное исследование проведено впервые. Предположены разные стратегии хромосомной эволюции в пределах каждого рода. Для самого многочисленного рода трибы Actaea характерен консерватизм структуры кариотипа, для большинства представителей рода его формально можно описать двумя близкими формулами. Различия касаются, в основном, числа и положения вторичных перетяжек. Малый род Beesia имеет умеренное разнообразие на кариотипическом уровне: выявлено различие структуры кариотипов между B. calthifolia и двумя другими видами. При этом B. deltophylla и B. yangii, имея схожие формулы кариотипов, различаются по числу и положению вторичных перетяжек. Наибольшее разнообразие кариотипов выявлено для рода Eranthis. Практически каждый вид имеет уникальный в пределах рода, четко идентифицируемый набор хромосом. Различия касаются основного числа хромосом (x = 8 и x = 7), плоидности (2x, 3x, 4x, 6x), морфологии неравноплечих хромосом, положения вторичных перетяжек. Впервые проведено исследование локализации консервативных последовательностей 45S и 5S рДНК на хромосомах Eranthis albiflora, E. lobulata, Actaea erythrocarpa при помощи двухцветной FISH с олигонуклеотидными ДНК-зондами. Характер распределения повторов 45S и 5S рДНК на хромосомах двух видов Eranthis схож: 45S рДНК выявлена только в области первичных перетяжек на коротких плечах пары субметацентриков, тогда как блоки 5S рДНК локализуются в прицентромерных областях всех хромосом. У A. erythrocarpa выявлен другой характер распределения: в геноме присутствует 10 блоков 45S рДНК, ассоциированных со вторичными перетяжками, и 2 блока 5S рДНК. Интегративный анализ морфологических, филогенетических, цитогенетических, биохимических, географических данных позволил подойти к таксономической ревизии ряда групп трибы Cimicifugae. Проведена таксономическая ревизия рода Beesia, закончен конспект рода, включая морфологические описания, сведения о номенклатурных типах, распространении, статусе редкости и изученных гербарных образцах. Кроме того, в конспекте приведен ключ для разграничения и идентификации видов, карта распространения и графические рисунки. Впервые выявлено, что надземные и подземные органы Actaea cimicifuga и A. erythrocarpa являются природными аккумуляторами биологически активных веществ. Метаболиты (более 60 соединений) были разделены и идентифицированы методом LC-HRMS, среди которых отмечены фенольные и азотсодержащие соединения, кумарины, хромоны, тритерпены и другие. Методом HPLC в экстрактах из надземной и подземной частей изученных видов, определено количественное содержание некоторых веществ. Проведенные исследования подчеркивают более выраженную антиоксидантную и противоопухолевую активность A. erythrocarpa, в сравнении с A. cimicifuga. Впервые получены видоспецифические метаболические паттерны эндемичных видов растений Beesia calthifolia, B. deltophylla и B. yangii, произрастающих в Китае, методом LC-HRMS. В составе метаболитов трех близкородственных видов Beesia имеются существенные различия. Впервые методом LC-HRMS подтверждено наличие фенольных соединений в надземной части Eranthis sibirica и E. tanhoensis – эндемиков юго-западной Сибири. В исследуемых экстрактах обнаружены: флавонолы, флаваноны, флавоны и изофлавоны, халконы, флаваны, катехины, а также фенольные кислоты и их производные, многие из которых – биологически активные соединения. Особый интерес представляют экстракты E. tanhoensis, поскольку они демонстрируют более высокую антиоксидантную активность (IC50 = 268,45 мкг/мл) по сравнению с E. sibirica. Этот вывод подтверждается более высоким содержанием антиоксидантных веществ фенольного спектра в экстрактах E. tanhoensis. Впервые проведено сравнительное хемофенетическое исследование секции Shibateranthis рода Eranthis по составу вторичных веществ фенольного спектра, обнаруженных и идентифицированных методом HPLC. Анализ метаболитов показал различия и сходство между исследуемыми близкородственными видами.

Публикации