Молекулярные механизмы устойчивости лишайников к обезвоживанию: интеграция транскриптомного и метаболомного подходов

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 23-14-00327

НазваниеМолекулярные механизмы устойчивости лишайников к обезвоживанию: интеграция транскриптомного и метаболомного подходов

Руководитель Минибаева Фарида Вилевна, Доктор биологических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Казанский научный центр Российской академии наук" , Республика Татарстан (Татарстан)

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; 04-206 - Физиология и биохимия растений

Ключевые слова лишайники, обезвоживание, регидратация, устойчивость, транскрипция генов, вторичные метаболиты, меланин, париетин, состояние внутриклеточной воды

Код ГРНТИ34.31.23

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Суровая засуха – один наиболее деструктивных климатических факторов для жизнедеятельности растений, в связи с чем способность адаптироваться к дефициту воды, всё чаще возникающему вследствие изменений климата, является необходимым условием выживания, сохранения генотипа и поддержания разнообразия растений. Научной проблемой, на решение которой направлен Проект, является поиск молекулярных механизмов уникальной устойчивости к обезвоживанию лишайников - симбиотических организмов, эффективно выживающих в крайне неблагоприятных условиях среды. Устойчивость лишайников к обезвоживанию довольно подробно изучена на биохимическом уровне, однако основные молекулярно-генетические механизмы остаются неизученными. Крайне ограниченная информация о стресс-индуцированных изменениях транскриптома в лишайниках в целом, вероятно, связана с ограниченным числом секвенированных геномов мико- и фотобинтов лишайников. Лишайники доминируют на территориях наземных экосистем с суровым климатом, например, в качестве компонентов пустынь, бореальных, арктических и антарктических регионов, благодаря своим механизмам устойчивости. Главная цель Проекта – расшифровка молекулярных механизмов устойчивости лишайников к обезвоживанию путем анализа изменений в экспрессии генов, составе метаболитов и состоянии внутриклеточной воды, индуцированных обезвоживанием и последующей регидратацией, в талломах двух видов листоватых эпифитных лишайников, различающихся по устойчивости к действию стрессовых факторов. Лишайник Lobaria pulmonaria чувствителен к изменениям климата и антропогенному воздействию на окружающую среду. Напротив, Xanthoria parietina характеризуется высокой устойчивостью к стрессовым воздействиям. Актуальным аспектом планируемого исследования является анализ дифференциальной экспрессии генов мико- и фотобионтов лишайников в условиях обезвоживания / регидратации. Для исследования изменений транскриптома мико- и фотобионтов лишайников будет применена технология высокопроизводительного секвенирования, биоинформатический анализ, количественная ПЦР. Наряду с этим, будет проведен анализ физиологического состояния этих двух видов лишайников, включая оценку редокс-статуса, энергетического статуса, содержания воды, проницаемости мембран, при действии обезвоживания / регидратации. Среди факторов, вносящих вклад в формирование стрессовой устойчивости лишайников, особое место занимают уникальные вторичные метаболиты, в том числе разнообразные по структуре терпены, фенолы, необычные жирные кислоты, пигменты. Одной из задач Проекта является изучение изменений в составе и количестве отдельных классов метаболитов, в частности, углеводов и продуктов ацетатно-малонатного и шикиматного путей, в L. pulmonaria и X. parietina, подверженных обезвоживанию / регидратации. Совершенно неизученным ранее аспектом является возможная роль пигментов меланина и париетина в формировании устойчивости лишайников к обезвоживанию. Фотопротекторная функция этих пигментов, синтез которых стимулируется при действии солнечной радиации, меланина в L. pulmonaria и париетина в X. parietina, продемонстрирована ранее в ряде работ, в том числе в наших исследования. С использованием диэлектрической спектроскопии будет проанализировано, могут ли эти пигменты, наряду с другими метаболитами, вносить вклад в связывание и состояние внутриклеточной воды в лишайниках. Использование современных технологий позволит выявить неизвестные ранее молекулярные мишени для формирования устойчивости лишайников к обезвоживанию и восстановлению метаболизма при регидратации. Знание о молекулярных механизмах, обеспечивающих засухоустойчивость лишайников, может быть использовано в мероприятиях по селекции и производству устойчивых к обезвоживанию сельскохозяйственных растений. Это обуславливает перспективность планируемого исследования, как с фундаментальной, так и прикладной точки зрения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Лексин И.Ю., Шелякин М.А., Минибаева Ф.В. Транскриптомное профилирование микобионта и фотобионта лишайника Lobaria pulmonaria при УФ-индуцированной меланизации X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов, X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов, С.219 (год публикации - 2023)

2. Минибаева Ф.В. Вторичные метаболиты лишайников: новые роли в стрессовой устойчивости X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов, X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов, С. 247 (год публикации - 2023)

3. Рассабина А.Е., Хабибрахманова В.Р., Даминова А.Г., Минибаева Ф.В. Роль меланинов в стрессовой устойчивости лишайников X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов, X Съезд общества физиологов растений России «Биология растений в эпоху глобальных изменений климата» (Уфа, 18-23 сентября 2023 г.): тезисы докладов, С. 302 (год публикации - 2023)

4. Лексин И.Ю., Минибаева Ф.В. Transcriptome profiling of lichen myco and photobionts during desiccation and rehydration Генетика, геномика, биоинформатика и биотехнология растений» (PLANTGEN 2023): тезисы докладов // VII Международная научная конференция (10–15 июля 2023 г., Казань, Россия). ФЭН, Казань, Генетика, геномика, биоинформатика и биотехнология растений» (PLANTGEN 2023): тезисы докладов // VII Международная научная конференция (10–15 июля 2023 г., Казань, Россия), С.237 (год публикации - 2023)

5. Нхлову Н., Минибаева Ф., Бекетт Р. A role for secondary metabolites in desiccation tolerance in lichens Microbiology Research, Microbiology Research, 2024, 15, 225–235 (год публикации - 2023)
10.3390/microbiolres15010016

6. Минибаева Ф.В., Лексин И.Ю., Рассабина А.Е., Хабибрахманова В.Р., Бекет Р.П. Sun-tanning in lichens: key drivers by transcriptome and metabolome profiling Генетика, геномика, биоинформатика и биотехнология растений» (PLANTGEN 2023): тезисы докладов // VII Международная научная конференция (10–15 июля 2023 г., Казань, Россия). ФЭН, Казань, Генетика, геномика, биоинформатика и биотехнология растений» (PLANTGEN 2023): тезисы докладов // VII Международная научная конференция (10–15 июля 2023 г., Казань, Россия), С. 267 (год публикации - 2023)

7. Рассабина А.Е., Даминова А.Г., Хабибрахманова В.Р., Минибаева Ф.В. Melanization of the lichen Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. as a stress response to UV-B irradiation Генетика, геномика, биоинформатика и биотехнология растений» (PLANTGEN 2023): тезисы докладов // VII Международная научная конференция (10–15 июля 2023 г., Казань, Россия). ФЭН, Казань, Генетика, геномика, биоинформатика и биотехнология растений» (PLANTGEN 2023): тезисы докладов // VII Международная научная конференция (10–15 июля 2023 г., Казань, Россия), С. 328 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Проведен биоинформатический анализ транскриптомных изменений мико- и фотобионтов в лишайниках Lobaria pulmonaria и Xanthoria parietina в условиях обезвоживания и регидратации. Согласно результатам PCA, у микобионта L. pulmonaria образцы из меланизированных и немеланизированных талломов при обезвоживании перекрываются друг с другом, что свидетельствует о слабых различиях в экспрессии генов между ними. Обезвоживание, особенно 50%-ное, вызывает значительные изменения в экспрессии генов у обоих симбионтов. Среди ДЭГов стрессового ответа выявлены гены, кодирующие ферменты антиоксидантной защиты, шапероны, осмосенсорные белки, а также белки, вовлечённые в протеолиз и убиквитинирование. В экспрессии генов микобионта лишайника X. parietina, согласно результатам PCA, существуют различия между ярко пигментированными и слабо пигментированными талломами, в наибольшей степени после 50% обезвоживания. В микобионте X. parietina после обезвоживания повышалась экспрессия генов, кодирующих белки с оксидоредуктазной активностью и клеточных процессов, локализованных в цитозоле; понижали экспрессию гены клеточного цикла. Нами была выполнена сборка de novo транскриптома фотобионта лишайника X. parietina. Среди ДЭГов стрессового ответа выявлены 24 гена, кодирующие белки антиоксидантной защиты, шапероны, белки, вовлечённые в функционирование фотосинтетического аппарата. С помощью ресурса KEGG выявлены топ-6 метаболических путей, включающих наибольшее количество ДЭГов: вторичный метаболизм, метаболизм углеводов, аминокислот и пуринов. 2. Проведена верификация транскрипционной активности в лишайниках L. pulmonaria и X. parietina, подверженных обезвоживанию/регидратации, путем оценки экспрессии целевых генов с помощью количественной ПЦР. Методом количественной ПЦР оценены уровни экспрессии отдельных целевых генов фото- и микобионтов в талломах, подверженных обезвоживанию/регидратации. Согласно результатам верификации, анализ транскриптома методом секвенирования и кПЦР демонстрируют сходные результаты. Для лишайника L. pulmonaria коэффициент корреляции Пирсона составил 0,89, а p-value 2.2*10-17. Для лишайника X. parietina коэффициент корреляции Пирсона составил 0,63 при p-value 3.51*10-7. 3. Получены новые данные о качественных и количественных изменениях отдельных первичных и вторичных метаболитов, в частности, продуктов ацетатно-малонатного и шикиматного путей, в лишайниках L. pulmonaria и X. parietina, подверженных обезвоживанию/регидратации. Количественный анализ отдельных классов метаболитов в 96 % этанольных экстрактах из талломов L. pulmonaria, подверженных обезвоживанию/регидратации, выявил, что в ходе обезвоживания увеличивается содержание углеводов, а содержание фенольных соединений и аминокислот уменьшается. Выявлено наличие фенольных соединений классов ксантонов, хинонов и производных пульвиновой кислоты, содержание которых снижалось при обезвоживании. Анализ метаболитов с помощью ВЭТСХ показал наличие стиктовой и норстиктовой кислот, а также хинонов, демонстрирующих высокую антирадикальную активность в отношении ДФПГ. С помощью ВЭЖХ анализа подтверждено преобладание стиктовой кислоты, содержание которой после обезвоживания увеличилось в 2 раза. В L. pulmonaria содержатся норстиктовая, конорстиктовая, гиконстиктовая и другие депсидоны, синтезируемые по ацетатно-малонатному пути. При обезвоживании/регидратации происходил также интенсивный синтез хинонов и производных пульвиновой кислоты, синтезируемых по шикиматному пути. В этанольных экстрактах лишайника X. parietina, согласно результатам ВЭЖХ анализа, антрахинон париетин являлся преобладающим вторичным метаболитом, присутствовал также эмодин, предшественник париетина, и, предположительно, лактон. При обезвоживании содержание париетина падало в 2 раза, а при регидратации его количество возрастало. Полученные данные указывают на важную роль метаболитов, синтезируемых по ацетатно-малонатному и шикиматному путям, в устойчивости лишайников к обезвоживанию. 4. Проанализированы физико-химические свойства очищенных пигментов меланина из лишайника L. pulmonaria и париетина из лишайника X. parietina. Получены оригинальные данные о физическом состоянии воды в надмолекулярной структуре нерастворимых биополимеров меланина и париетина. Показано, что меланин, экстрагированный из лишайника L. pulmonaria, образует комплексы с углеводами. Очищенные с помощью гель-фильтрационной хроматографии частицы визуализировались как дискретные субагрегаты со средним размером 42 нм и демонстрировали более высокую стабильность и меньшие адгезионные свойства, чем неочищенные частицы, согласно данным атомно-силовой микроскопии. В коллоидных водных системах меланин образовывал агрегаты размером 279 нм для неочищенного и 212 нм для очищенного меланинов. Удаление при очистке углеводного компонента вызвало конденсацию полиароматической структуры меланина. Анализ размера, ζ-потенциала и индекса полидисперсности выявил, что частицы меланина способны к структурным перестройкам, приводящим к изменению их наномеханических свойств. С помощью диэлектрической спектроскопии получены оригинальные данные о физическом состоянии воды в надмолекулярной структуре меланина. Широкий релаксационный пик, наблюдающийся при низких температурах, характерен для увлажненных белков и полисахаридов и интерпретируется как проявление гидратной воды. При низких влажностях детектировалась гидратная вода, прочно связанная с меланином. При высокой влажности в меланине детектировалась объемная вода, способная замерзать и образовывать лед. Обнаружена существенная корреляция релаксации замкнутой воды при низких температурах с особенностями строения меланина. Анализ париетина, экстрагированного из лишайника X. parietina, выявил, что предварительная обработка талломов водой уменьшает содержание минеральных солей, которые вносят вклад в пространственное окружение частиц париетина. Были созданы азеотропные смеси этанол/вода с содержанием этанола 5%-96% и концентрацией париетина 10 мкМ. Методом динамического светорассеяния показано формирование в этих смесях крупных и мелких частиц париетина. Методом диэлектрической спектроскопии показано, что в водно-спиртовых растворах париетин связывает часть молекул раствора, преимущественно воды, что отражается в уменьшении параметра Δε. Полученные результаты позволили получить информацию о механизмах связывания молекул воды с этими биополимерами. 5. Полученные данные проанализированы, оформлены в виде отчета, опубликованы четыре статьи в Physiologia Plantarum, Russian Journal of Plant Physiology, Fitoterapia, International Journal of Molecular Sciences, результаты представлены на научных конференциях с международным участием.

Публикации

1. Даминова А.Г., Лексин И.Ю., Хабибрахманова В.Р., Гурьянов О.П., Галеева Е.И., Трифонова Т.В., Хаматгалимов А.Р., Беккет Р.П., Минибаева Ф.В. The roles of the anthraquinone parietin in the tolerance to desiccation of the lichen Xanthoria parietina: physiology and anatomy of the pale and bright-orange thalli International Journal of Molecular Sciences, Daminova A.G., Leksin I.Y., Khabibrakhmanova V.R., Gurjanov O.P., Galeeva E.I., Trifonova T.V., Khamatgalimov A.R., Beckett R.P., Minibayeva F.V. The roles of the anthraquinone parietin in the tolerance to desiccation of the lichen Xanthoria parietina: physiology and anatomy of the pale and bright-orange thalli // International Journal of Molecular Sciences. – 2024. - V. 25. - 7067. (год публикации - 2024)
10.3390/ijms25137067

2. Даминова А.Г., Лексин И.Ю., Хабибрахманова В.Р., Гурьянов О.П., Галеева Е.И., Трифонова Т.В., Бекетт Р.П., Минибаева Ф.В. Роль антрахинона париетина в устойчивости к обезвоживанию талломов лишайника Xanthoria parietina Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений : тез. докл. IV Междунар. симп. и школы молодых ученых «Роль активных форм кислорода в жизни растений», Респ. Беларусь, Минск, 25–28 авг. 2024 г. / Белорус. гос. ун-т ; редкол.: Н. Л. Пшибытко (гл. ред.) [и др.]. – Минск : БГУ, 2024. – 345 с, Даминова А.Г., Лексин И.Ю., Хабибрахманова В.Р., Гурьянов О.П., Галеева Е.И., Трифонова Т.В., Beckett R.P., Минибаева Ф.В. Роль антрахинона париетина в устойчивости к обезвоживанию талломов лишайника Xanthoria parietina // IV Международный симпозиум «Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений». – Минск, 2024. – С. 95-101. (год публикации - 2024)

3. Лексин И.Ю., Шелякин М.А., Минибаева Ф.В. Анализ профилей экспрессии генов микобионта и фотобионта лишайника Lobaria pulmonaria в ответ на УФ-индуцированную меланизацию Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений : тез. докл. IV Междунар. симп. и школы молодых ученых «Роль активных форм кислорода в жизни растений», Респ. Беларусь, Минск, 25–28 авг. 2024 г. / Белорус. гос. ун-т ; редкол.: Н. Л. Пшибытко (гл. ред.) [и др.]. – Минск : БГУ, 2024. – 345 с., Лексин И.Ю., Шелякин М.А., Минибаева Ф.В. Анализ профилей экспрессии генов микобионта и фотобионта лишайника Lobaria pulmonaria в ответ на УФ-индуцированную меланизацию // IV Международный симпозиум «Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений». – Минск, 2024. – С. 164-169. (год публикации - 2024)

4. Рассабина А.Е., Хабибрахманова В.Р., Хайруллина А.Ф., Минибаева Ф.В. Особенности пигментного состава лишайников Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. и Xanthoria parietina (L.) Th.Fr Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений : тез. докл. IV Междунар. симп. и школы молодых ученых «Роль активных форм кислорода в жизни растений», Респ. Беларусь, Минск, 25–28 авг. 2024 г. / Белорус. гос. ун-т ; редкол.: Н. Л. Пшибытко (гл. ред.) [и др.]. – Минск : БГУ, 2024. – 345 с, Рассабина А.Е., Хабибрахманова В.Р., Хайруллина А.Ф., Минибаева Ф.В Особенности пигментного состава лишайников Lobaria pulmonaria (L.) Hoffm. и Xanthoria parietina (L.) Th.Fr // IV Международный симпозиум «Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений». – Минск, 2024. – С. 239-241. (год публикации - 2024)

5. Рассабина А.Е., Хабибрахманова В.Р., Хайруллина А.Ф., Минибаева Ф.В. Физико-химические свойства и биологическая активность меланинов лишайников Лишайники: от молекул до экосистем : материалы докладов Международной конференции (1-5 июля 2024 г., Сыктывкар). – Сыктывкар, 2024. – 127 с., Рассабина А.Е., Хабибрахманова В.Р., Хайруллина А.Ф., Минибаева Ф.В. Физико-химические свойства и биологическая активность меланинов лишайников // Международная конференция «Лишайники: от молекул до экосистем», Сыктывкар, 2024. – С. 89-90. (год публикации - 2024)

6. Лексин И.Ю., Шелякин М.А., Захожий И.Г., Козлова О.С., Беккет Р.П., Минибаева Ф.В. Ultraviolet-induced melanisation in lichens: physiological traits and transcriptome profile Physiologia Plantarum, Leksin I., Shelyakin M., Zakhozhiy I., Kozlova O., Beckett R., Minibayeva F. Ultraviolet-induced melanisation in lichens: physiological traits and transcriptome profile // Physiologia Plantarum. – 2024. – V. 176:e14512. (год публикации - 2024)
10.1111/ppl.14512

7. Минибаева Ф.В., Рассабина А.Е., Закирянова Г.Ф., Федоров Н.С., Хабибрахманова В.Р., Галеева Е.И., Кузнецова Е.А., Маломуж А.И., Петров А.М. Protective properties of melanin from lichen Lobaria pulmonaria (L.) HOFFM. in models of oxidative stress in skeletal muscle Fitoterapia, Minibayeva F.V., Rassabina A.E., Zakirjanova G.F., Fedorov N.S., Khabibrakhmanova V.R., Galeeva E.I., Kuznetsova E.A., Malomouzh A.I., Petrov A.M. Protective properties of melanin from lichen Lobaria pulmonaria (L.) HOFFM. in models of oxidative stress in skeletal muscle // Fitoterapia. – V. 177. - 106127. (год публикации - 2024)
10.1016/j.fitote.2024.106127

8. Ефремова Д.А., Лексин И.Ю., Минибаева Ф.В. Дифференциальная экспрессия генов стрессового ответа в лишайнике Xanthoria parietina при дегидратации и регидратации Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений : тез. докл. IV Междунар. симп. и школы молодых ученых «Роль активных форм кислорода в жизни растений», Респ. Беларусь, Минск, 25–28 авг. 2024 г. / Белорус. гос. ун-т ; редкол.: Н. Л. Пшибытко (гл. ред.) [и др.]. – Минск : БГУ, 2024. – 345 с., Ефремова Д.А., Лексин И.Ю., Минибаева Ф.В. Дифференциальная экспрессия генов стрессового ответа в лишайнике Xanthoria parietina при дегидратации и регидратации // IV Международный симпозиум «Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений». – Минск, 2024. – С. 117-119. (год публикации - 2024)

9. Минибаева Ф.В. Пигменты лишайников: «цветная» стратегия стрессовой устойчивости Лишайники: от молекул до экосистем : материалы докладов Международной конференции (1-5 июля 2024 г., Сыктывкар). – Сыктывкар, 2024. – 127 с., Минибаева Ф.В. Пигменты лишайников: «цветная» стратегия стрессовой устойчивости // Международная конференция «Лишайники: от молекул до экосистем», Сыктывкар, 2024. – С. 59-61. (год публикации - 2024)

10. Даминова А.Г., Галеева Е.И., Рахматуллина Д.Ф., Викторова Л.В., Минибаева Ф.В. Morphological, physiological, and biochemical traits of melanized thallus of the Cetraria islandica lichen Russian Journal of Plant Physiology, Daminova A.G., Galeeva E.I., Rakhmatullina D.F., Viktorova L.V., Minibayeva F.V. Morphological, physiological, and biochemical traits of melanized thallus of the Cetraria islandica lichen // Russian Journal of Plant Physiology. V. 71. - 92. (год публикации - 2024)
10.1134/S1021443724606104

11. Лексин И.Ю., Минибаева Ф.В. Транскриптомный ответ лишайника Lobaria pulmonaria на обезвоживание и регидратацию Лишайники: от молекул до экосистем : материалы докладов Международной конференции (1-5 июля 2024 г., Сыктывкар). – Сыктывкар, 2024. – 127 с. , Лексин И.Ю., Минибаева Ф.В. Транскриптомный ответ лишайника Lobaria pulmonaria на обезвоживание и регидратацию // Международная конференция «Лишайники: от молекул до экосистем», Сыктывкар, 2024. – С. 49-50. (год публикации - 2024)

12. Рассабина А.Е., Хабибрахманова В.Р., Хайруллина А.Ф., Минибаева Ф.В. Перспектива создания и анализ биодоступных форм меланина из лишайника Cetraria islandica (L.) Ach. Международный симпозиум «Дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур», Рассабина А.Е., Хабибрахманова В.Р., Хайруллина А.Ф., Минибаева Ф.В. Перспектива создания и анализ биодоступных форм меланина из лишайника Cetraria islandica (L.) Ach. // Международный симпозиум «Дизайн и синтез супрамолекулярных архитектур». – Казань, 2024. – С. 61. (год публикации - 2024)

13. Минибаева Ф.В., Бекетт Р.П. Метаболические “рыцари” древних лишайников: анти- и прооксиданты Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений : тез. докл. IV Междунар. симп. и школы молодых ученых «Роль активных форм кислорода в жизни растений», Респ. Беларусь, Минск, 25–28 авг. 2024 г. / Белорус. гос. ун-т ; редкол.: Н. Л. Пшибытко (гл. ред.) [и др.]. – Минск : БГУ, 2024. – 345 с.», Минибаева Ф.В., Beckett R.P. Метаболические “рыцари” древних лишайников: анти- и прооксиданты // IV Международный симпозиум «Молекулярные аспекты редокс-метаболизма растений». – Минск, 2024. – С. 205-210. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Идентифицированы мажорные первичные и вторичные метаболиты в лишайниках Lobaria pulmonaria и Xanthoria parietina, выявлены их количественные изменения при обезвоживании и последующей регидратации. В лишайнике L. pulmonaria выявлены отличия в составе первичных метаболитов в зависимости от степени УФ-индуцированной меланизации. В немеланизированных талломах повышено содержание глутаминовой кислоты, полиола арабитола. С помощью ВЭЖХ-МС/МС в метанольных экстрактах L. pulmonaria идентифицирована стиктовая кислота и ее производные. При обезвоживании происходит резкое увеличение содержания этого метаболита и уменьшение при регидратации. Обнаружены также хиноны и хромоны. В лишайнике X. parietina мажорными вторичными метаболитами являются париетин (92 %) и его предшественник эмодин (8 %). Идентифицированы первичные метаболиты: аминокислоты (пролин и глутаминовая кислота), углеводы, оксикислоты (яблочная и лимонная кислоты), жирные кислоты и моноацилглицериды (пальмитиновая, стеариновая, линолевая и их эфирные формы). Содержание пролина в талломах лишайника при обезвоживании незначительно повышается, а содержание глутаминовой кислоты снижается. Наибольшую долю (82 %) среди первичных метаболитов лишайника занимают полиолы маннитол, арабитол и адонитол (рибитол). При обезвоживании количество маннитола увеличивается, а количество арабитола и рибитола снижается. Идентифицировано соединение 1,5-дидеокси-1,5-имино-D-глюцитол, обладающее выраженной биологической активностью. 2. Для выделения меланина из лишайника L. pulmonaria была применена модифицированная методика, включающая исчерпывающее экстрагирование спирторастворимых веществ на первом этапе и последующее выделение меланина. Эта методика позволила получить меланин с большей степенью чистоты, большей степенью ароматичности и меньшим количеством гидроксильных групп. Париетин, мажорный пигмент лишайника X. parietina, содержит гидроксильные, кетонные и альдегидные группы, метильные радикалы, что свидетельствует о его высокой реакционной и агрегативной способности. Это было подтверждено путем анализа электронных спектров париетина в смеси этанола с водой. Рентгенофлуоресцентный анализ париетина показал наличие поливалентных металлов кальция, железа, цинка и алюминия. Установлено также наличие кремния и серы. Полученные данные указывают на высокие хелатирующие свойства париетина. 3. Анализ транскриптомных данных с применением пакета WGCNA выявил наличие со-экспрессирующихся модулей генов в мико- и фотобионтах лишайников L. pulmonaria и X. parietina. Для микобионта лишайника L. pulmonaria выявлено 22 модуля генов, а для фотобионта лишайника L. pulmonaria водоросли Symbiochloris reticulata - 15 модулей генов. Для микобионта лишайника X. parietina выявлено 13 модулей генов, а для фотобионта лишайника X. parietina водоросли Trebouxia sp. - 11 модулей генов. Обезвоживание приводит к сопоставимым изменениям в транскриптомах микобионтов обоих лишайников. Для микобионта L. pulmonaria выявлено почти в 2 раза больше модулей со-экспрессирующихся генов, чем для микобионта X. parietina. У микобионта L. pulmonaria наиболее крупные модули включают гены, экспрессия которых повышается при обезвоживании, однако они имеют слабые различия в паттернах. У микобионта X. parietina выявленные модули менее «вырожденные». Некоторые модули генов X. parietina и L. pulmonaria имеют сходные паттерны и одинаковые преобладающие функциональные группы генов. Большинство изменений транскриптома при обезвоживании у обоих микобионтов охватывает сходные наборы генов, вовлечённых в первичный метаболизм, контроль клеточного цикла, антиоксидантную защиту и регуляторные механизмы. 4. Выявлено, что 22 генных модуля микобионта L. pulmonaria образуют 6 групп по результатам иерархической кластеризации. По данным метаболомного анализа лишайника Lobaria pulmonaria выявлены дифференциально экспрессированные метаболиты (ДЭМы), статистически значимо изменившиеся по содержанию: глутаминовая кислота, арабитол, рибитол, маннитол, олеиновая и линоленовая жирные кислоты. Для половины выявленных модулей наблюдается статистически значимая корреляция между профилями экспрессии генов модуля и содержанием метаболита. У фотобионта S. reticulata обнаружено 5 групп модулей экспрессии генов со сходными паттернами экспрессии генов, и лишь для 2 генных модулей наблюдается высокий уровень корреляции с данными метаболома. У микобионта X. parietina выявлено 20 генных модулей, образующих 4 группы по результатам иерархической кластеризации. У лишайника X. parietina выявлены ДЭМы: глутаминовая кислота, лимонная кислота, арабитол, маннитол и альфа-линоленовая кислота. Половина выявленных модулей микобионта статистически значимо коррелируют с данными метаболома. Для фотобионта Trebouxia sp. обнаружено 4 группы модулей со сходными паттернами экспрессии генов. Лишь единичные генные модули демонстрируют высокую корреляцию между экспрессией генных модулей и динамикой содержания метаболитов. Меньшее количество выявленных групп и большой размер двух отдельных групп может указывать на более единообразный стрессовый ответ микобионта X. parietina на обезвоживание и регидратацию по сравнению с микобионтом L. pulmonaria. У микобионтах обоих лишайников метаболомные данные лучше коррелируют с экспрессией генных модулей, чем у фотобионтов. 5. Для L. pulmonaria и X. parietina наблюдается сходная динамика изменений содержания одних и тех же метаболитов при обезвоживании/регидратации. У обоих видов лишайников выявлено снижение содержания глутаминовой кислоты и ненасыщенных жирных кислот при обезвоживании. Динамика изменения содержания глутаминовой кислоты слабо отрицательно коррелирует с экспрессией ДЭГов, которые кодируют ферменты, утилизирующие глутаминовую кислоту. Сходная закономерность для полиолов: количество синтезируемых фотобионтом пятиатомных спиртов уменьшается, а количество синтезируемых из них микобионтом шестиатомных спиртов увеличивается. Между лишайниками наблюдаются различия в динамике: для X. parietina снижение содержания арабитола и увеличение маннитола происходит при обезвоживании, а у L. pulmonaria - при регидратации. Подобная динамика связана с меньшей устойчивостью L. pulmonaria к обезвоживанию/регидратации и более медленным восстановлением, по сравнению с X. parietina. Меньшая устойчивость L. pulmonaria подтверждается более сильными изменениями экспрессии генов метаболических путей, поздней индукцией генов антиоксидантной защиты и существенно большим число ДЭГов при регидратации. 6. Опубликованы две статьи и шесть тезисов.

Публикации

1. Лексин И.Ю., Минибаева Ф.В. Идентификация генов, вовлеченных в синтез уф-индуцируемых фенольных соединений в лишайнике Lobaria pulmonaria Материалы докладов XII Всероссийского симпозиума с международным участием «Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты», Лексин И.Ю., Минибаева Ф.В. Идентификация генов, вовлеченных в синтез уф-индуцируемых фенольных соединений в лишайнике Lobaria pulmonaria // XII Всероссийский симпозиум с международным участием «Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты». – 2025. – С. 142. (год публикации - 2025)

2. Ефремова Д.А., Лексин И.Ю., Минибаева Ф.В. Дифференциальная экспрессия генов микобионта лишайника Xanthoria parietina в ответ на обезвоживание Тезисы докладов 78-я Всероссийской с международным участием школы-конференции молодых ученых «Биосистемы: организация, поведение, управление», Ефремова Д.А., Лексин И.Ю., Минибаева Ф.В. Дифференциальная экспрессия генов микобионта лишайника Xanthoria parietina в ответ на обезвоживание // 78-я Всероссийская с международным участием школа-конференция молодых ученых «Биосистемы: организация, поведение, управление». – 2025. – С. 111. (год публикации - 2025)

3. Минибаева Ф.В., Лексин И.Ю., Хабибрахманова В.Р., Бекетт Р.П. Вторичные метаболиты лишайников: от биохимии до геномики Тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием в рамках годичного собрания Общества физиологов растений России, Минибаева Ф.В., Лексин И.Ю., Хабибрахманова В.Р., Бекетт Р.П. Вторичные метаболиты лишайников: от биохимии до геномики // Всероссийская научная конференция с международным участием в рамках годичного собрания Общества физиологов растений России. – 2025. – С. 40. (год публикации - 2025)

4. Минибаева Ф.В. Фенольные метаболиты лишайников: синтез, генные кластеры, функциональная роль «Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты», Минибаева Ф.В. Фенольные метаболиты лишайников: синтез, генные кластеры, функциональная роль // XII Всероссийский симпозиум с международным участием «Фенольные соединения: фундаментальные и прикладные аспекты». – 2025. – С. 143. (год публикации - 2025)

5. Минибаева Ф.В., Бекетт Р.П. Роль светозащитных пигментов в стрессовой устойчивости лишайников Известия Коми научного центра Уральского отделения РАН. Серия "Экспериментальная биология и экология", Минибаева Ф.В., Бекетт Р.П. (2024) Роль светозащитных пигментов в стрессовой устойчивости лишайников. Известия Коми научного центра Уральского отделения РАН. Серия Экспериментальная биология и экология, № 9 (75), с. 13–17. (год публикации - 2024)
10.19110/1994-5655-2024-9-13-17

6. Даминова А.Г., Лексин И.Ю., Хабибрахманова В.Р., Рассабина А.Е., Гурьянов О.П., Галеева Е.И., Трифонова Т.В., Beckett R.P., Минибаева Ф.В. Стрессовая устойчивость лишайника Xanthoria parietina к обезвоживанию Материалы VI (XIV) Международной ботанической конференции молодых учёных в Санкт-Петербурге , Даминова А.Г., Лексин И.Ю., Хабибрахманова В.Р., Рассабина А.Е., Гурьянов О.П., Галеева Е.И., Трифонова Т.В., Beckett R.P., Минибаева Ф.В. Стрессовая устойчивость лишайника Xanthoria parietina к обезвоживанию // VI (XIV) Международная ботаническая конференция молодых учёных. – 2025. – С. 116. (год публикации - 2025)

7. Лексин И.Ю., Ефремова Д.А., Минибаева Ф.В. Стрессовый ответ лишайников к обезвоживанию и регидратации: сравнение транскриптомных профилей микобионтов лишайников Lobaria pulmonaria и Xanthoria parietina Тезисы докладов Всероссийской научной конференции с международным участием в рамках годичного собрания Общества физиологов растений России, Лексин И.Ю., Ефремова Д.А., Минибаева Ф.В. Стрессовый ответ лишайников к обезвоживанию и регидратации: сравнение транскриптомных профилей микобионтов лишайников Lobaria pulmonaria и Xanthoria parietina // Всероссийская научная конференция с международным участием в рамках годичного собрания Общества физиологов растений России. – 2025. – С. 112. (год публикации - 2025)

8. Даминова А.Г., Рассабина А.Е., Хабибрахманова В.Р., Бурыгин Г.Л., Бекетт Р.П., Минибаева Ф.В. Morphology and physicochemical properties of melanin particles from the lichen Lobaria pulmonaria Mycologia, Daminova A.G., Rassabina A.E., Khabibrakhmanova V.R., Burygin G.L., Beckett R.P., Minibayeva F.V. (2025) Morphology and physicochemical properties of melanin particles from the lichen Lobaria pulmonaria. Mycologia, 117(4), 629–639. (год публикации - 2025)
10.1080/00275514.2025.2493364