Russian Journal of Biological Physics and Chemisrty

АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И ХИМИИ

2499-9962

54837

10.29039/rusjbpc.2022.0500

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОФИЗИКА

ECOLOGICAL BIOPHYSICS

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БИОФИЗИКА

ECO-GENETIC STRESS-RESISTANCE OF PLANTS AS STRATEGY AND TACTICS: SUPERMOLECULAR-PROTEOMIC, MORPHO-DYNAMIC DESIGN OF PHYSICO-CHEMICAL NATURE OF DEVELOPMENTAL BIOLOGY

Эко-генетическая стресс-устойчивость растений, как стратегия и тактика: супер- молекулярно-протеомного, морфо-динамического дизайна физико-химической природы биологии развития

Иванова

Э. А.

Ivanova

E. A.

fiona_belobor@mail.ru

Уфимский институт биологии РАН Уфа Россия Ufa Institute of Biology, Russian Academy of Sciences Ufa Russian Federation

25 03 2022

7 1 166 175 20 03 2022 20 03 2022

https://rusjbpc.ru/en/nauka/article/54837/view

В ракурсе эко-генетической адаптации растений, с позиции междисциплинарной науки – супрамолекулярной физико-химии, рассмотрена динамика супрамолекулярных топологически ассоциированных структур тотальной хроматиновой матрицы (ТХМ): Нп-нуклеоплазмы, ХрI-эу-, ХрII-гетеро- хроматинов и ядерного матрикса. На поверхности раздела которых, представлена протео-супермолекулярная реорганизация ансамблей: «линкерных», «коровых» гистонов и негистонов, макрокинетика которых имеет важное значение для понимания особенностей биохимических процессов в генетических подсистемах растения (корень→мезокотиль→колеоптиль) переходного периода от гетеротрофного к автотрофному развитию растений. Показан алгоритм особенностей биологической специфичности морфогенеза и структурной устойчивости генетико-протеомной основы ТХМ, как модельной системы коллекционных зародышей семян пшениц, в процессе их органоспецифического, координированно-закономерного роста при переключении подпрограмм развития, где проведен экспериментальный анализ протеомного позиционирования в супермолекулярных ансамблях: «линкерных», «коровых» и «негистоновых» белков в разных генетических подсистемах (мезокотиль→корень→высокодифференцированный зародыш) соответственно: донора (ярвой)→ переведенного в озимый (донор озимый-фенотип)→переведенного вновь в яровой-фенотип. На основании распределения нуклеосомного аргинин-богатого «корового» гистона (Н3-Н4)’’на поверхности раздела ТХМ: донора (яровой) Нп=ХрI (мезокотиль)→переведенного в озимый (донор озимый-фенотип) Нп˃ХрII≥ЯМ (корень)→переведенного вновь в яровой-фенотип Нп˃ХрI˃ЯМ˃ХрII (высокодифференцированный зародыш); предполагается возможное переключение генетических подпрограмм развития в генетических подсистемах целостного организма, которое осуществляется за счёт комбинаторного принципа протеомных ансамблей, потенциальных эпигенетических сетей «гистонового кода», в условиях экосистемы окружающей среды.

From the standpoint of eco-genetic adaptation of plants, from the position of interdisciplinary science – supramolecular physical chemistry, the dynamics of supramolecular topologically associated structures of the total chromatin matrix (TChrM) is considered: Np-nucleoplasm, ChrI-eu-, ChrII-heterochromatin and nuclear matrix. On the interface of which, the proteo-supermolecular reorganization of ensembles is presented: "linker", "core" histones and non-histones, the macrokinetics of which is important for understanding the features of biochemical processes in the genetic subsystems of a plant (root → mesocotyl → coleoptile) of the transition period from heterotrophic to autotrophic plant development. An algorithm for the features of the biological specificity of morphogenesis and structural stability of the genetic and proteomic basis of the TChrM model system, collection germs of wheat seeds, in the process of their organ-specific, coordinated-regular growth when switching development subprograms is shown where an experimental analysis of proteomic positioning in supermolecular assemblies was carried out: “linker”, "core" and "non-histone" proteins in different genetic subsystems (mesocotyl → root → highly differentiated embryo), respectively: donor (spring) → transferred to winter (donor winter-phenotype) → transferred back to spring-phenotype. Based on the distribution of nucleosomal arginine-rich “core” histone (H3-H4)'' on the TChM interface: donor (spring) Np=ChrI (mesocotyl) → transferred to winter (donor winter-phenotype) Np˃ChrII≥NM (root)→transferred again into the spring phenotype Np˃ChrI˃NM˃ChrII) (highly differentiated embryo); possible switching of genetic subroutines of development in the genetic subsystems of the whole organism is assumed, which is carried out due to the combinatorial principle of proteomic ensembles, potential epigenetic networks of the "histone code", in the conditions of environmental ecosystems.

протеомика интерфазная топология хроматина супрамолекулярная биохимия кариогеномика пшеница сигнальные системы

Proteomics Interphase chromatin topology Supramolecular biochemistry Karyogenomics wheat signaling systems

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России № 075-00326-19-00 по теме № НИОКТР АААА-А18-118022190104-7.

Патури Ф. Растения - гениальные инженеры природы (перевод с немецкого Ю.И. Куколёва). Москва: Издательство «Прогресс», 1982, 271 с.

Paturi F.R. Geniale ingenieure der natur. Econ Verlag Dusseldorf-Wien, 1974, 271 p. (In Russ.)

Том Р. Структурная устойчивость и морфогенез. М.: Логос, 2002, 117 p.

Tom R. Structural Stability and Morphogenesis. M.: Logos, 2002, 280 p. (In Russ.)

Лен Ж.М. Супрамолекулярная химия. Новосибирск: «Наука», 1998, 334 с.

Lehn J.M. Supramolecular chemistry. Novosibirsk: Science, 1998, 333 p. (In Russ.)

Шайтан К.В. Фундаментальные закономерности формирования пространственных структур конформационно подвижных молекул. Сборник научных трудов VI съезда биофизиков России, Сочи: Кубанский государственный университет, 2019, т. 1, c. 36.

Shaitan K.V. The fundamental laws of the formation of spatial structures of conformationally mobile molecules. Collection of scientific papers of the VI Congress of Biophysicists of Russia, Sochi: Kuban State University, 2019, vol. 1, p. 36. (In Russ.)

Патрушев Л.И. Экспрессия генов. М.: Наука, 2000, 830 с.

Patrushev L.I. Gene expression. Moscow: Nauka, 2000, 800 p. (In Russ.)

Иванова Э.А. Фракционирование растительных гистонов на колонках с амберлитом ИРЦ-50. Материалы третьей научной конференции молодых учёных, Башкирский филиал АН СССР, Совет молодых учёных, Уфа, 1972, c. 54-55.

Ivanova E.A. Fractionation of plant histones on columns with amberlite IRC-50. Materials of the third scientific conference of young scientists, Bashkir Branch of the USSR Academy of Sciences, Council of Young Scientists, Ufa, 1972, pp. 54-55. (In Russ.)

Иванова Э.А., Гилязетдинов Ш..Я., Ахметов Р.Р. Модификация гистонов растений и влияние фитогормонов на интенсивность этого процесса. Растительные белки и их биосинтез, М.: Наука, 1975, c. 301-305.

Ivanova E.A., Gilyzitdinov Ch.Y., Akhmetov R.R. Modification of plant histones and the effect of phytohormones on the intensity of this process. Plant proteins and their biosynthesis, M.: Science, 1975, pp. 301-305. (In Russ.)

Иванова Э.А., Ахметов Р.Р. Модификация негистоновых белков в проростках растений. Физиология растений, 1987, т. 34, № 3, c. 507-512.

Ivanova E.A, Akhmetov R.R. Modification of non-histon proteins in plant seedlings. Physiology plants, 1987, vol. 34, no. 3, pp. 507-512. (In Russ.)

Иванова Э.А., Вафина Г.Х. Физиолого-биохимический анализ интерфазных ядер в процессе прорастания семян пшеницы. Физиология и биохимия культурных растений, Киев, 1992, т. 24, № 6, c. 577- 583.

Ivanova E.A, Vafina G.H., Physiological and biochemical analysis interphase nuclei in the process of wheat seed germination. Physiology and biochemistry of cultivated plants, 1992, vol. 24, no. 6, pp. 577-583. (In Russ.)

10.

Иванова Э.А., Вафина Г.Х., Иванов Р.С. Анализ локализации протеазочувствительных сайтов Арг-Х в динамике супраструктур интерфазного хроматина при индукции ростового морфогенеза зрелых зародышей яровой и озимой пшеницы. Физиология и генетика, Киев, 2014, т. 46, № 3, c. 202-211.

Ivanova E.A, Vafina G.H., Ivanov R.S. Analysis of localization of protease-sensitive sites of Arg-X in the dynamics of suprastructures of interphase chromatin during induction of growth morphogenesis of mature embryos of spring and winter wheat. Physiology and genetic, 2014, vol. 46, no. 3, pp. 202-211. (In Russ.)

11.

Ivanova E.A., Vafina G.H., Ivanov R.S. Initial morphogenetic features of proteome of suprastructures of interphase chromatin for germination of mature germs in conditions of adapting to winter in wheat. Journal of stress physiology and biochemistry, 2015, vol. 11, no. 4, pp. 29-42. (In Russ.)

12.

Ivanova E.A. Аrg-Х proteo-processing as model system for organization of karyogenomics Interphase chromatin of mature germs of wheat, formed in the conditions of cold stress. Journal of Stress Physiology & Biochemistry, 2017, vol. 13, no. 4, pp. 65-73. (In Russ.)

Ivanova E.A. Arg-X proteo-processing as model system for organization of karyogenomics Interphase chromatin of mature germs of wheat, formed in the conditions of cold stress. Journal of Stress Physiology & Biochemistry, 2017, vol. 13, no. 4, pp. 65-73. (In Russ.)

13.

Ivanova E.A. On the question of epigenetic mechanisms of kariogenomic winter wheat in the concept of supramolecular biochemistry. Journal of Stress Physiology & Biochemistry, 2019, vol. 15, no. 3, pp. 14-20. (In Russ.)

14.

Ivanova E.A. Analysis of the proteomics of chromatin suprastructures as areas of replication (origins) and perception of signal and stress systems in the development of spring wheat. Journal of Stress Physiology & Biochemistry, 2020, vol. 16, no. 4, pp. 22-34. (In Russ.)

15.

Ivanova E.A. Stress resistance on the example of supramolecular-genetic level of plant development. Journal of Stress Physiology and Biochemistry, 2021, vol. 17, no. 4, pp. 17-29. (In Russ.)

16.

Иванова Э.А. Супермолекулярная реорганизация протеомных ансамблей супрамолекулярных структур хроматина растений в стрессовых условиях окружающей среды. Актуальные вопросы биологической физики и химии, 2021, т. 6, № 1, c. 179-185.

Ivanova E.A. Supermolecular reorganization of proteomic ensembles of supramolecular structures of plant chromatin under stress environmental conditions. Russian Journal of Biological and Physics and Chemistry, 2021, vol. 6, no. 1, pp. 179-185. (In Russ.)

17.

Реймерс Н.Ф. Популярный биологический словарь. М.: Наука, 1991, 235 с.

Reimers N.F. Popular biological dictionary. M.: Nauka, 1991, 235 p. (In Russ.)

18.

Колесников А.А. Митохондриальный геном. Нуклеоид. Биохимия, 2016, т. 81, № 10, c. 1322-1331.

Kolesnikov A.A. Mitochondrial genome. Nucleoid. Biochemistry, 2016, vol. 81, no. 10, pp. 1322-1331. (In Russ)

19.

Кузнецов В.В. Хлоропласты. Структура и экспрессия пластидного генома. Физиология растений, 2018, 65, № 4, c. 243-255.

Kuznetsov V.V. Chloroplasts. Structure and expression of the plastid genome. Plant Physiology, 2018, vol. 65, no. 4, pp. 243-255. (In Russ.)

20.

Реймерс Ф.Э. Растение во младенчестве. Новосибирск: Наука, Сибирское отделение, 1987, c. 11.

Reimers F.E. Plant in infancy. Novosibirsk: Science, Siberian branch, 1987, p. 11. (In Russ.)

21.

Конарев В.Г. Цитохимия и гистохимия растений. М.: Высшая школа, 1966.

Cytochemistry and histochemistry of plants. Israel program for scientific translation, Jerusalem 1972.

22.

Конарев В.Г. Морфогенез растений и молекулярно-биологический анализ. Санкт-Петербург: РАСХН, ВИР им. Н.И. Вавилова, 1998, 370 с.

Konarev V.G. Morphogenesis and molecular-biological analysis of plants. Sanct-Peterburg, VIR, 1998, 370 p. (In Russ.)

23.

Шабарина А.Н., Глазков М.В. Барьерные элементы хроматиновых доменов и ядерная оболочка. Генетика, 2013, т. 49, № 1, c. 30-36.

Shabarina A.N., Glazkov M.V. Barrier elements of chromatin domains and the nuclear envelope. Genetics, 2013, vol. 49, no. 1, pp. 30-36. (In Russ.)

24.

Финкельштейн А.В., Птицин О.Б. Физика белка. Москва: Книжный дом, 2005, 460 с.

Finkelstein A.V., Ptitsin O.B. Physics of protein. Moscow: Book house, 2005, 460 c. (In Russ.)

25.

Разин С.В., Быстрицкий А.А. Хроматин: упакованный геном. Москва. БИНОМ. Лаборатория знаний. 2009, 170 с.

Razin S.V., Bystritsky A.A. Chromatin: packed genome. Moscow. BINOMIAL. Laboratory of knowledge. 2009, 170 c. (In Russ.)

26.

Иванова Э.А., Вафина Г.Х. Особенности анализа ядерных «трипсиноподобных» и «ингибитор-трипсиновых» комплексов колеоптилей в течение постэмбриональной фазы онтогенеза пшеницы. Известия АН серия биологическая, 2000, № 5, c. 624-630.

Ivanova E.A., Vafina G.H. Features of the analysis of nuclear "trypsin-like" and "inhibitor-trypsin" complexes of coleoptiles during the postembryonic phase of wheat ontogenesis. Izvestiya AN biological series, 2000, no. 5, pp. 624-630. (In Russ.)

27.

Иванова Э.А., Вафина Г.Х. Анализ надмолекулярных структур клеточного ядра при активации хроматина. Доклады академии наук, 2006, т. 406, № 3, c. 419-421.

Ivanova E.A., Vafina G.H. Analysis of supramolecular structures of the cell nucleus during chromatin activation. Reports of the Academy of Sciences, 2006, vol. 406, no. 3, pp. 419-421. (In Russ.)

28.

Smith E.L., De Lange R.J., Bonner J. Chemistry and biology of the histones. Physiol. Revs., 1970, vol. 50, no. 2, pp. 159-170.

29.

Гельфанд М.С. Эволюция регуляторных систем. Материалы докладов V съезда биофизиков России, Ростов-на-Дону: Издательство Южного федерального университета, 2015, т. 1, c. 19.

Gelfand M.C. The evolution of regulatory systems. Materials of reports of the V Congress of Biophysicists of Russia, Rostov-on-Don: Publishing House of the Southern Federal University, 2015, vol. 1, p. 19. (In Russ.)

30.

Барлоу П.У. Деление клеток в меристемах и значение этого процесса для органогенеза и формообразования растений. Онтогенез, 1994, т. 25, № 5, с. 5-38.

Barlou P.U. Cell division in meristems and the importance of this process for plant organogenesis and morphogenesis. Ontogenesis, 1994, vol. 25, no. 5, pp. 5-38. (In Russ.)

31.

Кери Н. Эпигенетика, Ростов-на-Дону, Феникс, 2012, c. 324.

Carey N. Epigenetics, Rostov-on-Don, Phoenix, 2012, p. 324. (In Russ.)

32.

Волькенштейн М.В. Горизонты теоретической биофизики. Будущее науки (международный ежегодник, вып. 13). М.: «Знание», 1980, c. 118-134.

Volkenstein M.V. Horizons of theoretical biophysics. The future of science (International Yearbook, issue 13). M.: "Knowledge", 1980, pp. 118-134. (In Russ.)

33.

Боннер Д.Ж. Молекулярная биология развития. М.: «Мир», 1967, 178 с.

Bonner D.J. Molecular biology of development. M.: "Mir",1967, 178 p. (In Russ.)

34.

Подгорная О.И. Роль структурированности ядра в морфогенезе. Теоретические и математические аспекты морфогенеза. М.: Наука, 1987, c. 106-115.

Podgornaya O.I. The role of the structuring of the nucleus in morphogenesis. Theoretical and mathematical aspects of morphogenesis. M.: Nauka, 1987, pp. 106-115. (In Russ.)

35.

Иванова Э.А. Особенности «структурированных процессов» в интерфазных ядрах у пшеницы, выведенной в условиях холодового стресса. Экобиотех, 2019, т. 2, № 4, pp. 1-6.

Ivanova E.A. Features of "structured processes" in interphase nucleus wheat bread under cold stress. Ecobiotech, 2019, vol. 2, no. 4, pp. 1-6, doi: 10.31163/2618-964X-2019-2-4-000-000. (In Russ.)

36.

Ivanova E.A. Stress resistance on the example of supramolecular-genenic level of plant development. doi: 10.18699/PlantGen2021-082. (In Russ.)

37.

Булгаков В.П., Цициашвили Г.Ш. Биоинформационный анализ белковых сетей: поиск статистик и топологий, наиболее адекватно отвечающих запросам экспериментальных биологов. Биохимия, 2013, т. 78, № 10, c. 1405-1411.

Bulgakov V.P., Tsitsiashvili G.Sh. Bioinformatic analysis of protein networks: search for statistics and topologies that most adequately meet the needs of experimental biologists. Biochemistry, 2013, vol. 78, no. 10, pp. 1405-1411. (In Russ.)