Стрессоустойчивость на примере супрамолекулярно-генетического уровня развития растений

Вопросы адаптации и морфогенетической стрессоустойчивости растений были в концепции интересов В.Г. Конарева [Конарев, 2004]. Ещё в 1954г, опубликованная им статья в журнале «Биохимия» - «Влияние яровизации на поведение нуклеопротеидов и нуклеиновых кислот в зародышах злаков», часто цитировалась [Конарев, 2004]. Впоследствии были даже договоренности, об углубленном изучении этого интересного морфогенетического явления, с В.Н. Ремесло [Ремесло, 1964, Ремесло, Коломацкий, 1980] и В.С. Шевелуха [Шевелуха, 1986]. Однако по ряду причин осуществить это в 1966г не удалось [Конарев, 2004], несмотря на то, что были все условия для проведения электронномикроскопической цитохимии белков и нуклеиновых кислот [Ахметов, 1971]. Кроме того, было отчетливо сформулировано представление о «лабильном», «стабильном» и «остаточном» состояниях хроматина и ДНК, наиболее полно отражающих их функциональную активность, а также выявлены главные черты структурной и функциональной организации хромосом с предложением модели, в основе которой представлены структурные переходы в хроматине [Конарев, 2004, Ахметов, 1971]. Даже были получены фотографии тотального хроматина, из которого вытягиваются ДНК-овые петли в виде «бусы на нитке». Но, как говорил Р.Р. Ахметов [Ахметов, 1971, Ахметов и др., 1976], что таких снимков было много, однако, к сожалению в 1965г, они не смогли их расшифровать. Это был период, когда многие химики стали обращать своё внимание на биохимию высокомолекулярных соединений [Тонгур и др.,1962] и биологические макромолекулы [Киселёв, 1965]. И только в 1974, Олинсы сделали поистине историческое открытие, расшифровав свои снимки, с выводом, что ДНК упаковывается в клеточном ядре в виде «нуклеосомной» организации [Olins, Olins, 1974]. Я спонтанно подошла к молекулярногенетическому подходу исследования адаптации и морфогенетической стрессоустойчивости растений. Так как, везде на конференциях только и говорили, что молекулярно-генетическая природа этого феномена неизвестна. О том, что это явление необходимо знать, как будущее биотехнологии заявлял и академик В.С. Шевелуха [Шевелуха, 1986].

Все идеи и экспериментальные работы по белковой химии, Конаревского уфимского периода и последующих постоянных консультаций с ним, послужили фундаментальной «стартовой площадкой» для дальнейшего углубленного анализа хроматинового протеома в регуляции молекулярногенетических основ адаптации растений в ракурсе рассмотрения наследования характера репликации, при участии протеома супер молекулярных структур, как барьерных элементов, в процессе реорганизации хроматиновых супра молекулярных структур на поверхности раздела: Нп, ХрI, ХрII, ЯМ (схема 1) с позиции супра молекулярной биохимии [Лен,1998, Стид, Этвуд, 2007] и подступов к эпигенетике [Голубовский, Чураев, 1997, Чураев, 2006, Галимзянов,Чураев и др., 2019, Гилязетдинов и др., 2013, Вахитов, Хазиев, 2001].

Цель работы представить анализ динамики тотальной хроматиновой матрицы (ТХМ) в виде топологически ассоциированных супра -блоков: Нп-нуклеоплазмы; Хр-I хроматина-непрочно; Хр-II – хроматина- прочносвязанных с ядерным матриксом-ЯМ; и собственно самого ЯМ: на поверхности раздела которых, происходит реорганизация ядерного супер молекулярного протеома - в пространственно-временном интервале: 24ч, 30ч, 36ч после проклевывания зародыша пшеницы, а также при дальнейшем ростовом морфогенезе генетических организменных подсистем: (колеоптиль, мезокотиль, корень) во временном интервале (42ч 48ч), как возможных конформационно-локальных зон, способных к восприятию и преобразованию стресс сигналов окружающей среды биологии развития.

MATERIALS AND METHODS

В данной работе в качестве модельного объекта исследования взяты семена суперэлиты пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Артемовка (lifform – яровая; SUBTAXA – lutescens; ORIGIN_ COUNTR – Украина), из которой по методу [Ремесло, 1964] был выведен озимый сорт Мироновской 808. Используемые для эксперимента семена Артемовки и Мироновской 808 (lifform – озимая; SUBTAXA -lutescens; ORIGIN_ COUNTR – Украина), любезно получены из коллекции Всероссийского института растениеводства им. Н.И. Вавилова.

Весь экспериментальный объем работы представлен в виде схемы 1. Методические подходы по физиолого-биохимическим особенностям работы с объектом исследования, подробно изложены в ссылках на патенты в статьях [Иванова, Вафина, 1992, Иванова и др., 2014; Ivanova et al. , 2015; Ivanova 2017, 2019]. Относительно количественных цифровых данных по протеому, супра молекулярных блочных ансамблей ТХМ, подробно представлено и обсуждено в статье [Ivanova, 2020], а также оформлено в данной статье в виде схем 2-3.

RESULTS

На представленных схемах 2-3 показаны особенности супер молекулярного протеома топологически ассоциированных ансамблей, на поверхности раздела тотальной хроматиновой матрицы (ТХМ), супра молекулярных-блоков: Нп, ХрI, ХрII, ЯМ, согласно методам белковой химии, указанной в схеме 1.

На схеме 2 показано, что проклюнувшийся зародыш (24ч), в котором физиолого-ростовые процессы происходят, как за счёт растяжения клеток, так и на глубоком уровне отдельных сайтов инициации        репликации        (ориджинов);

характеризуются тем, что на поверхности раздела топологически                  ассоциированных супрамолекулярных блоков позиционируют у ярового сорта следующие протеомно -взаимосвязанные супермолекулярные ансамбли: (Н3+Н4)ꞌ≥Нгб-[Нп]→(Н3+Н4)ꞌ=Н1-[ХрI]→ Нгб=(Н2А+Н2В)-[ХрII] →   (Н2А+Н2В)-[ЯМ]. Что касаетмя озимого сорта, то коровый протеом октамера 2(Н2А+Н2В)2(Н3+Н4)ꞌ функционально соединён только с двумя блоками: ХрI и ЯМ в единое целое при участии протеома: Н1-Нгб соответственно блоков Нп и ХрII.

Следующий период ярового сорта (30ч), на уровне целостности клеточного ядра, соответственно характеризуется сохранением поверхностной позиции коровых гистонов (Н3+Н4)ꞌ -[Нп ] → и Нгб=(Н2А+Н2В)- [ХрII] соединённое в единое целое при участии протеома Нгб-Н1-соответственно двух супра- блоков ХрI и ЯМ. Что касается озимого сорта (30ч), то его функциональное состояние характеризуется позиционированием коровых гистонов (Н3+Н4)ꞌ на супра- блоках Нп, ХрI и (Н2А+Н2В) ЯМ при участии Нгб супра- блока ХрII.

Физиологические особенности проклюнувшегося ярового проростка (36ч) характеризуются усилением ростовых процессов за счет деления клеток. Протеомная поверхность раздела топологически ассоциированных супра- блоков тотального хроматина представляет собой периодичность, где соответственно, в основном позиционируют Нгб-[ Нп ] → Н1-[ ХрI ] → Нгб- [ ХрII] → Н1-[ ЯМ] . Что касается озимого сорта (36ч), то в этом случае четкая периодичность наблюдается в функционировании корового октамера соответственно во взаимосвязи супра -блоков: ХрI (Н2А + Н2В) и ХрII ( Н3+Н4)ꞌ в единое целое при участии соответственно протеома Н1 и Нгб супра блоков: Нп и ЯМ. Физиологические особенности (36ч) проростков характеризуются переходным периодом от условий гетеротрофного обмена к формированию органогенеза в условиях автотрофного питания.

Следующая фаза прорастания, представленная на схеме 1 (42ч-48ч ), характеризуется ярко выраженным органоспецифическим, координированно-закономерным ростом проростка на уровне мезокотиля и активным ростом зародышевой оси, морфогенетической основы «сигнального языка» побега (колеоптиль) и корня, где ростовые процессы осуществляются вследствие деления клеток.

В этом контексте (схема 3) основное внимание уделено только ярко выраженному результату эксперимента [Ivanova, 2020], который получен у ярового сорта с мезокотилем (42ч), так как именно в этот период удалось выделить коровый (Н3+Н4)ꞌꞌ-[Нп] → (Н3+Н4)ꞌꞌ[ХрI]. Выявленный аргинин-богатый протеом (Н3+Н4)ꞌꞌ выделяется при жёстком экстрагировани 40% GuHCl, в то время как, обогащенные аргинином гистоны (Н3+Н4)ꞌ, выделяются при экстракции в три раза слабее (схема 1). Ранние данные [Иванова, Ахметов, 1987] показали, что фракция (Н3+Н4)ꞌ представляет собой полный комплект нуклеосомных белков, обогащенных аргинином, в то время как 40% GuHCl, показывает широкий электрофореграммный фронт полосы аргинин-богатых гистонов.

На схеме 3 данной статьи представлены результаты органоспецифического молекулярногенетического анализа распределения ядерного протеома в морфо-генетических подсистемах проростков ярового сорта в сравнении с озимым сортом пшеницы.

Корень → Колеоптиль (42ч)

Яровая

Озимая

ЯМ : Нгб≥НI →( Н2А+Н2В)     Нгб≥НI≥ (Н3+Н4)ꞌꞌ →(Н3+Н4)ꞌ

ХрII : НI →(Н3+Н4)ꞌ

(Н3+Н4)ꞌ+ (Н3+Н4)ꞌꞌ →НI≥Нгб

ХрI : (Н2А+Н2В ) → (Н2А+Н2В)   (Н2А+Н2В)≥НI →(Н3+Н4)ꞌ

Нп : НI → НI        (Н3+Н4)ꞌꞌ ≥(Н3+Н4)ꞌ →(Н2А+Н2В)≥НI≥Нг б

Мезокотиль (42ч)

Яровая

ЯМ : Нгб

ХрII : НI

ХрI: (Н3+Н4)ꞌꞌ

Нп: (Н3+Н4)ꞌꞌ

Озимая

Нгб

(Н3+Н4)ꞌ

(Н2А+Н2В)

НI≥Нгб

Таким образом, у озимого сорта активный рост зародышевой оси, морфогенетической основы «сигнального языка»: корня→побега (колеоптиля) (42ч), сопровождается выявлением в корневой системе аргинин-богатого протеома (Н3+Н4)ꞌꞌ в супра-блоках: Нп, ХрII, ЯМ.

В следующий период (схема 3): Корень→Колеоптиль ярового сорта (48ч) показывает, что активный рост зародышевой оси начинается соответственно с протеома Н1 супра блока Нп корневой системы с последующим переходом на колеоптильный протеом Нгб супра блока ХрI и далее в колеоптильный протеом Н1≥Нгб супра- блока ЯМ .

Озимый сорт (48ч), корневой системы соответственно начинается с протеома Н1 супра блока ЯМ, протеома Н1≥Нгб супра блока ХрII, протеома (Н3+Н4)ꞌ супра -блока ХрI и протеома (Н2А+Н2В)≥ Нгб супра -блока Нп с переходом на протеом колеоптиля Нгб супра блока Нп и протеом колеоптиля Нгб супра- блока ЯМ.

Мезокотиль (48ч). У я рового сорта отмечается функционирование протеома Нгб ≥(Н3+Н4)ꞌ в супра блоке ХрI, корового протеома (Н3+Н4)ꞌ в супра блоках ХрII и ЯМ , а также корового протеома (Н2А+Н2В) в супра блоке Нп.

Озимый сорт характеризуется функционированием протеома Н1 в супра блоке Нп, протеома Нгб≥Н1 ≥(Н2А+Н2В) в супра- блоке ЯМ, корового протеома (Н2А+Н2В) ≥ (Н3+Н4)ꞌ супра блоке ХрII и (Н3+Н4)ꞌ в супра- блоке ХрI.

В этом пространственно-временном периоде (48ч), ростового морфогенетического периода роста и развития проростков, акцентировано внимание только на динамику протеома линкерного гистона и негистоновых белков , так как предположено, на основании собственных данных [Иванова, Вафина, 1999] и литературных [Колесников А.А. 2016], [Голани-Армон А., Арава Й. 2016], в этот период в функционирование активно вступает энергетика митохондриального генома.

Схема 1. Биохимический анализ клеточных ядер индуцированных к органоспецифическому, координированнозакономерному росту, проклюнувшихся зародышей пшеницы

1.1 Возраст проклюнувшихся зародышей, ч (коллекционные семена из ВИРа)
24	30	36	42		органы		48
Целый высокодифференцированный зародыш			Колеоптиль Мезокотиль Корень
1.2. Выделение клеточных ядер
1.3. Выделение супра- структур-блоков при повышении ионной силы солевого градиента, способствующего ослаблению электростатического взаимодействия
0,14 М NaCl		0,35 М NaCl		2M NaCl		6M GuHCl
Нуклеоплазма, «Лабильный хроматин» (Hn)		«Эу»-хроматин, непрочносвязанный c ЯМ (ХpI)		«Гетеро»-хроматин, прочносвязанный с ЯМ (Xp II)		Ядерный матрикс (ЯМ)
1.4. Градиентное элюирование GuHCl-гуанидингидрохлоридом, на поверхности раздела негистоновых и гистоновых – супер- комплексов-ансамблей из супра- структур-блоков, методом ионнообменной хроматографии на IRC-50 (Heidelberg),подготовленной к работе по описанию [Иванова, 1972; Иванова и др., 1975]
Ступенчатые концентрации - GuHCl , %
6,0 - негистоновыне "кислые" белки - (Hгб) 8,9 - лизинбогатый, линкерный гистон - (HI) 10,6 -умеренно-лизинбогатые «коровые» гистоны - (H2A+H2B) 13,0 - обогащенные аргинином «коровые» гистоны- (H3+H4)' 40,0 - аргинин-богатые «коровые» гистоны -        (H3+H4)"

Схема 2. О собенности позиционирования протеомных супер молекулярных ансамблей на поверхности раздела топологически - ассоциированных супрамолекулярных блоков хроматина в пространственновременных периодах роста и развития зародышей яровой и выведенной из неё озимой пшениц

Супра блоки тотального хроматина	Протеомные супер молекулярные ансамбли-структуры
Яровая		Озимая
24ч
Hп	(H3+H4)'≥Hгб	HI
Хp I	(H3+H4)'≥HI	(H2A+H2B)
Хp II	Hгб= (H2A+H2B)	Hгб
ЯМ	(H2A+H2B)	(H3+H4)'
30 ч
Hп	(H3+H4)'	(H3+H4)'
Хp I	Hгб	(H3+H4)'
Хp II	Hгб= (H2A+H2B)	Hгб
ЯМ	HI	(H2A+H2B)
36 ч
Hп	Hгб	HI
Хp I	HI	(H2A+H2B)
Хp II	Hгб	(H3+H4)'
ЯМ	HI	Hгб

Схема 3. Особенности реорганизации супер молекулярного протеома на поверхности раздела топологически-ассоциированных супра-блоков тотальной хрматиновой матрицы (ТХМ) в процессе инициации ростового морфогенеза генетических подсистем целостного организма яровой и выведенной из неё озимой пшеницы

Блоки тотального хроматина	Органогенез	Протеомные супер молекулярные ансамбли-структуры
		Яровая	Озимая
		42 ч.
Hп	Колеоптиль	HI	(H2A+H2B)≥ HI≥ Hгб
	Мезокотиль	(H3+H4)''	HI≥ Hгб
	Корень	HI	(H3+H4)'' ≥(H3+H4)'
Хp I	Колеоптиль	(H2A+H2B)	(H3+H4)'
	Мезокотиль	(H3+H4)''	(H2A+H2B)
	Корень	(H2A+H2B)	(H2A+H2B)≥ HI
Хp II	Колеоптиль	(H3+H4)'	HI≥ Hгб
	Мезокотиль	HI	(H3+H4)'
	Корень	HI	(H3+H4)' +(H3+H4)''
ЯМ	Колеоптиль	(H2A+H2B)	(H3+H4)'
	Мезокотиль	Hгб	Hгб
	Корень	Hгб≥ HI	Hгб≥ HI≥ (H3+H4)''
48 ч.
Hп	Колеоптиль	(H3+H4)'	Hгб
	Мезокотиль	(H2A+H2B)	HI
	Корень	HI	(H2A+H2B)≥ Hгб
Хp I	Колеоптиль	Hгб	HI≥(H3+H4)'≥ Hгб
	Мезокотиль	Hгб≥(H3+H4)'	(H3+H4)'
	Корень	(H2A+H2B)≥ HI≥ H3+H4)'	(H3+H4)'
Хp II	Колеоптиль	(H2A+H2B)	HI≥ (H3+H4)'
	Мезокотиль	(H3+H4)'	(H2A+H2B)≥ (H3+H4)'
	Корень	(H3+H4)'	HI≥ Hгб
ЯМ	Колеоптиль	HI≥ Hгб	Hгб
	Мезокотиль	(H3+H4)'	Hгб≥ HI≥(H2A+H2B)
	Корень	(H2A+H2B)	HI

DISCUSSION

Рассмотрение структурных переходов генетической матрицы растений с позиции супрамолекулярных блоков, имеющих разную степень кампактизации (лабильный, эу-, гетеро-, хроматин), имеет давнюю историю [Конарев, 1966, 1998]. Однако, в настоящее время, ученых интересует, как формируются на тотальной хроматиновой матрице, непосредственно друг от друга транскрипционно активные и неактивные зоны, при участии протеомных барьерных элементов отделяющих их друг от друга. Считают, что этот процесс обеспечивается не результатом первичной нуклеотидной последовательности, а особенностями вторичной структуры ДНК [Шабарина, Глазков, 2013]. С этой позиции, ученые всё больше начинают присматриваться, что же происходит внутри нуклеосомного кора, а также, и на поверхности его сближения с коровой и линкерной ДНК в процессах развития и формирования стресс-сигнальных систем. То есть, рассматривается регуляция хроматина с позиции «функциональности в хроматин-зависимых процессах», которые базируются на боковой поверхности глобулярного октамера всех четырёх коровых гистонов: 2(Н2А+Н2В)2(Н3+Н4), совместно образующих скаффелд-полиэдр гистонового октамера, вокруг которого обёрнута ДНК. Рассмотрение, глобулярных коровых доменов: 2(Н2А+Н2В)+2(Н3+Н4), на уровне их взаимосвязи с ДНК с позиции неструктурированных хвостов выступающих из нуклеосомы, как боковой поверхности сигнальной системы, находятся в ракурсе внимания биоинформационного анализа эволюции топологии боковых сетей [Финкельштейн, Птицин, 2005], а также рассмотрения перспектив регулирования тотального хроматина в процессе взаимодействия с факторами окружающей среды.

Таким образом, в последнее время проявился интерес к особенностям, самоорганизующихся пространственно-временных ансамблей, в которых у поверхностных групп белковых компонентов (системы, «эволюционно отобранной для реализации морфогенетических процессов»), осуществляются флуктационные динамики. Известно, что боковые группы аминокислотных остатков колеблются заметно сильнее, чем главная цепь [Финкельштейн, Птицин, 2005]. В настоящее время, усовершенствуются методические подходы к конформационному анализу супер - молекулярных ансамблей, входящих в супра молекулярные-блоки, что позволяет не только предсказывать, но и объяснять экспериментальные данные, находящиеся на стыке физики и биохимии, приближаясь к пониманию морфогенетических процессов на уровне жизненных циклов и фаз онтогенетического развития организма. В этом отношении супра молекулярная химия может рассматриваться как химическая или молекулярная информатика [Шайтан, 2019]. Что касается биологической эволюции, то она многократно усиливает, закрепляет и предъявляет исследователям, последствия тех физических принципов, на которых основываются молекулярные взаимодействия отдельно в белке, а далее в её супер - молекулярных ансамблях, входящих в супра молекулярные-блоки.

Расшифровка молекулярно-генетических основ адаптации организма или популяции остаётся фундаментальной темой в поисках подходов к их анализу, и знанию локальных стресс адаптаций в понимании пути от генома, генотипа к фенотипу. Фундаментальной базовой, основой этого направления, бесспорно, является супрамолекулярная химия-биохимия, которая развивается как химия ансамблей, удерживаемых нековалентными взаимодействиями. Через понятия распознавания и самопроцессов она пришла к концепции информации (пассивной и активной) и запрограммированных систем, всё более становясь химией молекулярной информации, изучающей хранение информации на молекулярном уровне, а также считывание, передачу и обработку информации на супрамолекулярном уровне.

Супрамолекулярная химия – в высшей степени междисциплинарная область науки, включающая химические, физические, биологические аспекты рассмотрения более сложных, чем молекулы, химических систем, связанных в единое целое посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий. Она стремительно расширяет границы химической науки до физических и биологических явлений. Три главных: понятия – фиксация (связывание), распознавание и координация – заложили фундамент супра молекулярной химии [Лен, 1998].

Онто-морфо-физиолого-интегративная, пространственно-временная система целостности биологии развития. Эпигенез и эпигенетика.

Процесс развития организма и его органов из проклюнувшего высокодифференцированного зародыша адекватно рассматривать как ростовой морфогенез, где происходит перестройка межклеточного, во взаимосвязи, с клеточным цитоскелетом, и совместно с ядерным матриксом-полиэдром (схема 1). В связи с этим возникает вопрос о сигнальных системах (молекулярных): первичных, вторичных (схема 2,3) и так далее уровней развития. На фоне представленного интегрированного ростового морфогенеза у проклюнувшегося высокодифференцированного зародыша        (схема 2) осуществляется пространственно-временное движение онтогенеза, которое биологически состоит из трёх тесно связанных, но в известной степени самостоятельных процессов: увеличения числа клеток, их морфогенетической специализации тканей и организма в целом.

Объединяющий их макромолекулярный состав внеклеточного матрикса имеет определённую пространственно-временную организацию, то есть качественно различную характеристику на разных участках организма, который в развитии изменяется

(схема 2). Он во многом обусловливает ткане- и стадиоспецифичность, являясь реальным претендентом на роль носителя позиционной информации в организме, который рассматривают как локальный эпигенетический фактор [Конторова, 1994] , причастный к движущим силам ростового морфогенеза [Белоусов, 1987].

Корни, стебли листья растений в конечном счёте развиваются из специализированных областей – меристем (схема 3). Новые органы растений развиваются из меристем всю жизнь (схема 3). Меристемы органов растения представляют собой зоны, совокупности биохимических процессов, направленных на образование новых тканей и клеток. Именно здесь активно локализуются процессы репликации хроматина и деления клеток, синтезируются вещества цитоплазмы способствующие образованию фрагмопластов и новых клеточных стенок, что непосредственно связано с образованием в растущем органе трёхмерной сети стенок. В чем собственно и состоит одна из главных функций меристем [Барлоу, 1994].

Клеточные деления, определяющие основные ткани, по преимуществу протекают в раннем эмбриогенезе, достигнутая в этот период дифференциация закрепляется в ходе последующего развития и роста полюсов зародыша (схема 2) – его корневого полюса и полюса побега (схема 3). Одновременно происходит закладка будущих апикальных меристем с их специфическими паттернами деления. Таким образом, процессы формирования структурной сети клеточных стенок в сжатом виде вновь воспроизводятся в неоэмбриональных участках примордиев боковых корней и побега (схема 3).

Обсуждая клеточный аспект формообразования следует подчеркнуть также, что клеточные стенки и связанный с ними цитоскелет [Барлоу, 1994], а значит и ядерный матрикс - полиэдр [Белоусов, 1987], вместе взятые, являются источником эпигенетической информации для морфогенеза, который определяется как процесс развития органа. Паттерн делений в меристеме может играть важную роль в создании опорной подсистемы с оптимальной жесткостью. В тех случаях, когда в результате специфических делений определенные стенки приобретают возможность расти быстрее других, последовательность заложения новых стенок может приобрести существенное значение для морфогенеза органа (схема 3). Паттерн клеточных стенок и цитоскелета в точках роста органа рассматривается [Барлоу, 1994] в качестве дополнительного источника эпигенетической информации для морфогенеза. Процесс перехода от одного паттерна к другому может быть формализован и представлен в виде алгоритма развития.

Молекулярная биология открыла «целый космический        мир»        взаимосвязанных внутриклеточных процессов, лежащих в основе цитоскелетно-мембранных преобразований (ЦСМП) ростового морфогенеза [Белоусов, 1987] на уровне клеток, их специализации в ракурсе пространственно-временной           организации внеклеточного матрикса и их морфогенетических процессов органа и организма в целом (схема 2-3). Однако понимание проблемы на каких принципах основана формообразовательная самоорганизация живых систем продолжает оставаться дискуссионным. Особенно остро стоит вопрос о биологической организации индивидуального развития организма во взаимосвязи с механизмами генетических и эпигенетических процессов (схема 23). По [Robin, 1994] эпигенез определяется как изменение экспрессии генов в организме с дифференцированными клетками, наследуемыми митотически.

Таким образом в целом, молекулярная эпигенетика это составная часть эпигенеза в целом.

Экспериментальный супра - и протеомный супермолекулярный анализ морфогенетической стрессоустойчивости.

Считают, что структура хроматина является единственным прямым фенотипическим признаком, в становлении которого принимают участие как кодирующие, так и некодирующие последовательности ДНК. Изменение ионных параметров среды, окружающей клетки, приводит к изменению организации хроматина и изменению выхода мутаций в насколько раз. В свою очередь, некодирующие последовательности ДНК через структуру хроматина способны обеспечить выбор спектра экспрессируемых генов.

Как было сказано выше, в представленной работе показаны особенности реализации стрессоустойчивости на модельном объекте озимого сорта пшеницы. Следует учесть, что для получения стрессоустойчивого озимого сорта из ярового, селекционерам потребовалось около семи лет [Ремесло, 1964,1980]. При этом оказалось, что накопленное собственное информационное время является одним из существенных показателей, определяющих структурно-функциональную устойчивость организации системы, которая образуется в результате считывания и переработки информации, заложенной в ней самой и её же реорганизующей, что приводит систему к считыванию новой информации, и так далее, до установления некоторого стационарного состояния. Молекулярно-генетические основы такой фиксации и координации до сих пор находятся в центре внимания исследователей.

Как известно, протеом генетических структур про-и эукариот обогащен белками, богатыми аргинином. По данным [Smith, De Lange, Bonner, 1970] отмечается высокая консервативность аргинин-богатого гистона - Н4 по аминокислотной последовательности у всех 3-х представителях эукариотических царств, что свидетельствует о его важной роли в сохранении и реализации генетической информации в процессах структурирующих упаковку ДНК. К тому самым интересным было сообщение М. С. Гельфанда, что из всех аминокислот только аргинин способен связываться с ДНК [Гельфанд, 2015]. Интересной особенностью эукариотического аргинин-богатого гистона Н4 является наличие определённых повторяющихся последовательностей, значение которых находится в стадии расшифровки. Есть мнение, что Н4 образуется из коротких пептидов [Smith, De Lange, Bonner, 1970]. В интерфазной хроматиновой организации эукариот боковые группы гистона Н4 выходят на функциональную поверхность нуклеосом. Особо отмечено, что боковые группы колеблются заметно сильнее, чем главная цепь [Финкельштейн, Птицин, 2005]. Все эти данные в настоящее время стали объектом внимания супрамолекулярной химии, которую характеризуют, как междисциплинарную область науки, имеющей дело с супер-молекулярными ансамблями и супрамолекулярными блоками. Эта наука стремительно расширяет границы химической науки до физических и биологических явлений, охватывая все типы супрамолекулярных блоков и их супермолекулярных ансамблей. Биохимия и молекулярная биология полностью входят туда и занимают в ней отдельную нишу, по мнению [Том, 2002], основная проблема биологии топологическая, основное понятие которой гомеоморфизм. Однако, в данном случае у растений согласно [Том, 2002] о гомеоморфизме можно говорить только по отношению к отдельным органам, таким как: лист, мозокотиль, корень. Что касается аргинина, то можно сказать, что он выступает в роли биохимической связи, воспроизводящей механическое и резонансное соотношение. Относительно ядерного матрикса, как пилиэдра можно сказать, что это основание - поверхность геометрического многоугольника, который проявляет себя тем, что запускает динамику и кинетику специфики особенностей биологии развития.

Ассоциация нуклеосом поддерживается электростатическими взаимодействиями между положительно заряженными N-концевыми доменами гистонов (в первую очередь, гистона Н4) одной нуклеосомы и отрицательно заряженной площадкой на поверхности другой нуклеосомы. Следует иметь ввиду, что обычные экспериментальные данные приводятся в виде усредненных результатов анализа пространственной организации генома в сотнях тысяч клеток.

Таким образом, в топологическом аспекте биологического морфогенеза на уровне пространственной формы и фенотипа есть основное понятие гомеоморфизм. Следуя этому, обращает внимание, что в схеме 2 в органогенезе 36ч зародышей яровой и озимой культур, четко прослеживается различие на поверхности раздела всех супра-блоков ТХМ и их протеомных супермолекулярных ансамблей, которое выражено в том, что яровая ТХМ функционирует во взаимосвязи с линкерной ДНК, а озимая ТХМ как с линкерной, так и коровой ДНК. То есть, протеомные супермолекулярные ансамбли ТХМ яровых и озимых 36ч зародышей имеют разные точки локализации взаимосвязей с ДНК. По-видимому, это локальные зоны физико-химических взаимосвязей.

Следующая фенологическая фаза прорастания, представленная на схеме 1; (42ч-48ч), характеризуется ярко выраженным органоспецифическим, координированнозакономерным ростом проростка на уровне мезокотиля и активным ростом зародышевой оси, морфогенетической основы «сигнального языка» побега и корня, где ростовые процессы осуществляются вследствие деления клеток (анатомо-физиолого- биологические особенности этого процесса остаются в ракурсе специалистов интегративной биологии).

В этом контексте я останавливаюсь только на ярко выраженном результате эксперимента, который получен у ярового сорта с мезокотилем (42ч), так как именно в этот период удалось выделить коровые (Н3+Н4)ꞌꞌ-[Нп] → (Н3+Н4)ꞌꞌ[ХрI] гистоны в функциональной взаимосвязке с протеомом Н1 – Нгб соответственно супра-блоков: ХрII и ЯМ. Выявленный аргинин-богатый протеом (Н3+Н4)ꞌꞌ выделяется при жёстком экстрагировани, в то время как, обогащенные аргинином гистоны (Н3+Н4)ꞌ, выделяются при экстракции в три раза слабее (схема 1.4). У озимого сорта активный рост зародышевой оси, морфогенетической основы «сигнального языка» побега и корня (42ч), сопровождается выявлением в корневой системе аргинин-богатого протеома (Н3+Н4)ꞌꞌ в блоках Нп, ХрII, ЯМ в соединении с коровым протеомом (Н2А+Н2В)≥Н1 блока ХрI. Ранние данные [Иванова, Ахметов, 1987] показали, что фракция (Н3+Н4)ꞌ представляет собой полный комплект нуклеосомных белков, обогащенных аргинин-богатой фракцией, в то время как (Н3+Н4)ꞌꞌ представляет собой блок аргинин-богатых гистонов, со следами других нуклеосомных гистонов. Возможно, морфогенетические процессы яровости и озимости, связанные с инициацией развития органов и объясняют наличие у ярового сорта в мезокотиле (42ч)Нп→ХрI блока коровых гистонов (Н3+Н4)ꞌꞌ, которые на уровне целостности организма и клеточного ядра заякорены в ЯМ Нгб-мезокотиля(42ч) и Нгб=Н1 корня(42ч). В то время как у озимого сорта, протеомный комплекс коровых гистонов (Н3+Н4)ꞌꞌ на уровне функциональной целостности организма проявляется только в корневой системе.

С этой позиции можно предположить, следуя рассуждениям [Барлоу, 1994], что именно в период 42ч все вместе взятые генетические подсистемы (мезокотиль, корень→колеоптиль) целостного организма могут являться источником эпигенетической информации для ростового морфогенеза, который на супер молекулятном уровне проявляется с позиции ( Н3+Н4)ꞌꞌ , представляя собой локальные стресс зоны адаптации, на пути от генома, генотипа к фенотипу, формируя свой паттерн фиксации самопроцессирования в структурную устойчивость.

CONCLUSION

Исторический путь от анализа морфологической адаптации к морфогенетической [Конарев, 1998], но уже с новым информационным содержанием: морфогенетический→молекулярный→надмолекуляр ный→... всё больше приобретает физико-химическое истолкование [Волькенштейн, 1980] в области молекулярной биологии развития [Боннер, 1967], что сближает эти познания с физикой, наукой издавна опиравшейся на математику, способствовавшей развитию в понимании общих закономерностей, с которыми сталкивается биология [Волькенштейн, 1980]. Эти биофизические закономерности могут рассматриваться как структуры в многомерном пространстве [Белоусов, 1987, Подгорная, 1987, Тьюринг, 1952], куда внесён топологический подход, как способ мышления в «определении и создании логических схем биологической специфичности морфогенеза и структурной устойчивости» [Том, 2002]. Весь этот арсенал мыслей и знаний биологии развития вплотную подходит к плодотворному использованию возможностей, которые открывает супрамолекулярная химия [Лен, 1998] как «химия запрограммированных несущих информацию молекул» [Лен, 1998].

ACKNOWLEDGEMENT

Работа выполнена в рамках государственного задания Минобрнауки России № 075-00326-19-00 по теме № НИОКТР АААА-А18-118022190104-7 В работе использована приборная база Центра коллективного пользования «Агидель» УФИЦ РАН.

Выражаю благодарность д.б.н. Р.Н. Чураеву за то, что принял меня в свою лабораторию в качестве биолога-биохимика; а также и.о. руководителю группы математической и молекулярной генетики (ММГ) к.б.н. А.В. Галимзянову; и конечно директору института биологии д.б.н. В.Б. Мартыненко, сохранивший при дирекции группу ММГ, и при этом, дающий возможность экспериментально продумывать сложнейшую морфо-онтогенетическую биохимию в ракурсе супрамолекулярной и интегративной биологии. Особо следует подчеркнуть, что направление данного аспекта работы связано с позиции моих идейных учителей: биохимика В.Г. Конарева, его ученика Р.Р. Ахметова; химиков- высокомолекулярных соединений (ВМС): С.Р. Рафикова [Рафиков и др.,1978], его ученика Г.П. Гладышева [Гладышев,1993].

CONFLICTS OF INTEREST

Author declared that she do not has any conflict of interest for publishing this research.