Гүлдің даму генетикасының моделі

Кіріспе

Гүл дамуының генетикасы моделі

Гүл дамуының ABC моделі – гүлді өсімдіктерде гендік экспрессияның белгілі бір үлгісін қалыптастыратын, жыныстық көбеюге бағытталған орган – гүлдің пайда болу процесінің ғылыми моделі. Бұл процестің жүзеге асуы үшін үш физиологиялық даму қажет: біріншіден, өсімдік жыныстық жасқа толмаған күйден жыныстық жасқа жететін күйге өтуі керек (яғни гүлденуге көшу); екіншіден, апикальды меристеманың функциясы вегетативтік меристемадан гүлдік меристемаға немесе гүлшоғына айналуы керек; және үшіншіден, гүлдің жеке мүшелерінің өсуі керек. Соңғы кезең ABC моделі арқылы модельденді, оның мақсаты процестің биологиялық негізін молекулалық және даму генетикасы тұрғысынан сипаттау. Меристеманың гүлдік меристемаға дифференциациялануын іске қосу үшін сыртқы стимул қажет. Бұл стимул апикальды меристемада митоздық жасушалардың бөлінуін белсендіреді, әсіресе жаңа бастамалар пайда болатын жерлерде. Осы стимул меристеманы даму жолымен гүлдік меристемалардың өсуіне, вегетативтік меристемалардан өзгеше, бағыттайды. Бұл екі меристема түрінің арасындағы басты айырмашылық – нысаналы органның айқын өзгешелігінен басқа, вертициллатты (немесе бұрылмалы) филлотаксис, яғни бастамалардың тізбектес бұрыштары арасында сабақтың ұзартылмауы. Бұл бұрыштар акропетальды дамудан кейін тостағанша жапырақшалар, аталықтар және аналықтарды құрайды. Вегетативтік қосалқы меристемалардан тағы бір айырмашылық – гүлдік меристема "белгіленген", яғни бір рет дифференциацияланғаннан кейін оның жасушалары енді бөлінбейді. Төрт гүлдік бұрыштағы мүшелердің сәйкестігі кем дегенде үш түрлі ген өнімдерінің өзара әрекеттесуінің нәтижесінде пайда болады, олардың әрқайсысы ерекше функцияларды атқарады. ABC моделіне сәйкес, перианттың және репродуктивтік бұрыштардың сәйкестігін анықтау үшін А және С функциялары қажет. Бұл функциялар өзара қосылмайды, ал олардың біреуінің жоқтығы екіншісінің барлық гүлдік бұрыштардың сәйкестігін анықтайтынын білдіреді. B функциясы екінші бұрыштағы жапырақшаларды тостағанша жапырақшалардан ажыратуға, ал үшінші бұрыштағы аталықтарды аналықтардан ажыратуға мүмкіндік береді. Гётенің жапырақтар теориясы 18 ғасырда қалыптасты, және ол гүлдің құрамдас бөліктері – өсімдіктердің көбеюі немесе қорғануы үшін функционалдық жағынан мамандандырылған, құрылымы өзгертілген жапырақтар екенін көрсетеді. Теория алғаш рет 1790 жылы "Өсімдіктердің метаморфозы" атты мақалада ("Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklären") жарияланды, онда Гёте былай деп жазды:

The ABC model of flower development is a scientific model of the process by which flowering plants produce a pattern of gene expression in meristems that leads to the appearance of an organ oriented towards sexual reproduction, a flower. There are three physiological developments that must occur in order for this to take place: firstly, the plant must pass from sexual immaturity into a sexually mature state (i. e. a transition towards flowering); secondly, the transformation of the apical meristem's function from a vegetative meristem into a floral meristem or inflorescence; and finally the growth of the flower's individual organs. The latter phase has been modelled using the ABC model, which aims to describe the biological basis of the process from the perspective of molecular and developmental genetics. An external stimulus is required in order to trigger the differentiation of the meristem into a flower meristem. This stimulus will activate mitotic cell division in the apical meristem, particularly on its sides where new primordia are formed. This same stimulus will also cause the meristem to follow a developmental pattern that will lead to the growth of floral meristems as opposed to vegetative meristems. The main difference between these two types of meristem, apart from the obvious disparity between the objective organ, is the verticillate (or whorled) phyllotaxis, that is, the absence of stem elongation among the successive whorls or verticils of the primordium. These verticils follow an acropetal development, giving rise to sepals, petals, stamens and carpels. Another difference from vegetative axillary meristems is that the floral meristem is "determined", which means that, once differentiated, its cells will no longer divide. The identity of the organs present in the four floral verticils is a consequence of the interaction of at least three types of gene products, each with distinct functions. According to the ABC model, functions A and C are required in order to determine the identity of the verticils of the perianth and the reproductive verticils, respectively. These functions are exclusive and the absence of one of them means that the other will determine the identity of all the floral verticils. The B function allows the differentiation of petals from sepals in the secondary verticil, as well as the differentiation of the stamen from the carpel on the tertiary verticil. Goethe's foliar theory was formulated in the 18th century and it suggests that the constituent parts of a flower are structurally modified leaves, which are functionally specialized for reproduction or protection. The theory was first published in 1790 in the essay "Metamorphosis of Plants" ("Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklären"). where Goethe wrote:

Гүлдік кезең

Вегетациялық кезеңнен репродуктивтік кезеңге көшу өсімдіктің өмірлік циклындағы маңызды өзгеріс, мүмкін ең ірі өзгеріс болып табылады, себебі өсімдіктің ұрпақ беруін қамтамасыз ету үшін бұл процесті дұрыс орындау қажет. Бұл ауысу гүл шоғырының меристемасының индукциясы және дамуымен сипатталады, ол гүлдер жиынтығын немесе жеке бір гүлді құрайды. Бұл морфогенездік өзгерісте эндогендік және экзогендік факторлар бар: мысалы, өзгерісті бастау үшін өсімдікте белгілі бір мөлшерде жапырақ болуы және жалпы биомассаның белгілі бір деңгейі болуы керек. Сонымен қатар, ерекше фотопериод сияқты, белгілі бір қоршаған орта жағдайлары да қажет. Өсімдік гормондары осы процесте маңызды рөл атқарады, оның ішінде гиббереллиндер ерекше маңызды. Процестің молекулалық биологиясын реттейтін көптеген сигналдар бар. Арабидопсис талианадағы келесі үш ген гүлдік ауысуда ортақ және тәуелсіз функцияларды атқарады: ГҮЛДЕУ ОРНЫ (FT), ЖАПРАҚ (LFY), КОНСТАНС ЭКСПРЕССИЯСЫН БАСУШЫ1 (SOC1, сондай-ақ AGAMOUS LIKE20 деп те аталады). SOC1 – фотопериод, вернализация және гиббереллиндерге жауапты біріктіретін MADS-бокс типті ген. WUS генімен қатар, SHOOTMERISTEMLESS (STM) гені де меристемалық күмбездің дифференциациялануын тежейді. Бұл ген сабақ жасушаларының дифференциациялану мүмкіндігін тоқтатып, бірақ қыз жасушаларында бөлінуге мүмкіндік береді, егер оларға дифференциациялануға рұқсат берілген болса, олар ерекше органдарға айналуы мүмкін еді.

Гүлдік сәулет

Гүлдің анатомиясы, гүлді өсімдіктерде жыныстық көбеюді жеңілдететін, белгілі бір үлгі бойынша орналасқан бірқатар мүшелердің (сепальдер, жапырақшалар, аталықтар және аналықтар) болуымен анықталады. Гүлдің пайда болуы гүлдің дамуын реттейтін үш ген класының әрекетінен туындайды: ол алғаш рет розидтерде гүл мүшелерінің сәйкестігін анықтайтын генетикалық механизмдер жиынтығын сипаттау үшін модель ретінде қолданылды, мысалы Arabidopsis thaliana және Asterids, Antirrhinum majus мысалында көрсетілгендей. Екі түрдің де төрт қатар мүшесі (сепаль, жапырақша, аталық және аналық) бар, олар әр қатардағы бірнеше гомеотикалық гендердің әртүрлі экспрессиясымен анықталады. Бұл сепальдердің тек А гендерінің экспрессиясымен сипатталатынын, ал жапырақшалардың А және В гендерінің бірмезгілде экспрессиялануымен сипатталатынын білдіреді. В және С гендері аталықтардың сәйкестігін анықтайды, ал аналықтарға белсенді болу үшін тек С гендері қажет. А және С типті гендер өзара қарсы келеді. Осы гомеотикалық гендердің мүшенің сәйкестігін анықтайтыны, егер белгілі бір функцияны білдіретін ген, мысалы А гені экспрессияланбаса, анық көрінеді. Arabidopsis-те бұл жоғалу гүлдің бір қатарында аналықтардан, екіншісінде аталықтардан және үшіншісінде аналықтардан тұратын гүлге әкеледі. А, В және С функцияларына қосымша, екі қосымша функцияның – D және E функцияларының да бар екені ұсынылды. D функциясы жұмыртқаның сәйкестігін анықтайды, ол аналықтардың дамуынан бөлек, жеке репродуктивтік функция болып табылады, және олардың анықталуынан кейін жүзеге асады. E функциясы барлық гүлдік қатарларға тән физиологиялық талаптармен байланысты, бірақ бастапқыда үш ішкі қатардың дамуы үшін қажет деп сипатталған (E функциясы stricto sensu). Алайда, оның кеңірек анықтамасы (sensu lato) оның төрт қатардың барлығында да қажет екенін көрсетеді. Сондықтан, D функциясы жоғалған кезде жұмыртқаның құрылымы жапырақтарға ұқсас болады, ал E функциясы stricto sensu жоғалған кезде үш сыртқы қатардың гүлдік мүшелері сепальдерге айналады.

A flower's anatomy, as defined by the presence of a series of organs (sepals, petals, stamens and carpels) positioned according to a given pattern, facilitate sexual reproduction in flowering plants. The flower arises from the activity of three classes of genes, which regulate floral development: It was first used as a model to describe the collection of genetic mechanisms that establish floral organ identity in the Rosids, as exemplified by Arabidopsis thaliana, and the Asterids, as demonstrated by Antirrhinum majus. Both species have four verticils (sepals, petals, stamens and carpels), which are defined by the differential expression of a number of homeotic genes present in each verticil. This means that the sepals are solely characterized by the expression of A genes, while the petals are characterized by the co expression of A and B genes. The B and C genes establish the identity of the stamens and the carpels only require C genes to be active. Type A and C genes are reciprocally antagonistic. The fact that these homeotic genes determine an organ's identity becomes evident when a gene that represents a particular function, for example the A gene, is not expressed. In Arabidopsis this loss results in a flower which is composed of one verticil of carpels, another containing stamens and another of carpels. The existence of two supplementary functions, D and E, have also been proposed in addition to the A, B and C functions already discussed. Function D specifies the identity of the ovule, as a separate reproductive function from the development of the carpels, which occurs after their determination. Function E relates to a physiological requirement that is a characteristic of all floral verticils, although, it was initially described as necessary for the development of the three innermost verticils (Function E sensu stricto). However, its broader definition (sensu lato) suggests that it is required in the four verticils. Therefore, when Function D is lost the structure of the ovules becomes similar to that of leaves and when Function E is lost sensu stricto, the floral organs of the three outer most verticils are transformed into sepals,

Генетикалық талдау

Гүлдердің дамуын зерттеу әдістемесі екі қадамнан тұрады. Біріншіден, гүлдік меристеманың қызметін анықтау үшін қажетті нақты гендерді анықтау. A. thaliana-да бұларға APETALA1 (AP1) және LEAFY (LFY) жатады. Екіншіден, гүлдердің ерекше белгілері бойынша бұзылған фенотиптерде генетикалық талдау жүргізіледі, бұл процеске қатысқан гомеотикалық гендерді сипаттауға мүмкіндік береді.

Мутанттарды талдау

Гүлдердің морфологиясына әсер ететін көптеген мутациялар бар, бірақ мұндай мутанттарды талдау жақында ғана жүзеге асырылды. Бұл мутациялардың бар екенін көрсететін дәлел, олардың көпшілігі гүл мүшелерінің идентификациясына әсер етеді. Мысалы, кейбір мүшелер басқа мүшелердің орнында дамиды. Бұл гомеотикалық мутация деп аталады, ол дрозофиладағы HOX гендерінің мутацияларына ұқсас. Arabidopsis және Antirrhinum, модельдер негізделген екі таксон, бұл мутациялар әрқашан жақын орналасқан гүл шоғырларына әсер етеді. Бұл мутациялардың әсер ететін гүл шоғырларына қарай үш класты сипаттауға мүмкіндік береді: А типіндегі гендердегі мутациялар – Бұл мутациялар ең сыртқы гүл шоғырлары болып табылатын тостағанша және гүл шоғырларына әсер етеді. А. thaliana-дағы APETALA2 сияқты мутанттарда, тостағанша жапырақтарының орнына карпельдер, ал гүл шоғырларының орнына аталықтар дамиды. Бұл перианттың гүл шоғырларының репродуктивті гүл шоғырларына айналуын білдіреді. В типіндегі гендердегі мутациялар – Бұл мутациялар аралық гүл шоғырлары болып табылатын гүл шоғырлары мен аталықтарға әсер етеді. А. thaliana-да APETALA3 және PISTILLATA деп аталатын екі мутация табылды, олар гүл шоғырларының орнына тостағанша жапырақтарының және аталықтардың орнына карпельдердің дамуына себеп болады. С типіндегі гендердегі мутациялар – Бұл мутациялар репродуктивті гүл шоғырларына, атап айтқанда, аталықтар мен карпельдерге әсер етеді. Бұл типтегі А. thaliana мутанты AGAMOUS деп аталады, оның фенотипінде аталықтардың орнына гүл шоғырлары және карпельдердің орнына тостағанша жапырақтары болады.

Дифференциалдық экспрессияны анықтау әдістері

Жоғарыда талқыланған мутанттардың бұзылған үйлесімді функцияларымен байланысты гендердегі ДНК-ны клондау бойынша зерттеулер жүргізілді. Бұл зерттеулер гүлдің дамуы кезінде гендік экспрессияның тізбектелген талдауын қолданып, тіндердің экспрессия үлгілерін көрсетті, олар, әдетте, ABC моделінің болжамдарымен сәйкес келеді. Бұл гендердің сипаты транскрипция факторларына сәйкес келеді, және күтілгендей, олар ашытқылар мен жануарлар жасушаларында кездесетін факторлар тобымен ұқсас құрылымға ие. Бұл топ MADS деп аталады, бұл топтағы әртүрлі факторлардың аббревиатурасы. Бұл MADS факторлары зерттелген барлық өсімдік түрлерінде анықталды, бірақ гендік экспрессияны реттеуге қатысқан басқа элементтердің де әсерін жоққа шығаруға болмайды.

А түріндегі функцияларды көрсететін гендер

А. талианада А функциясы негізінен екі генмен – APETALA1 (AP1) және APETALA2 (AP2) – көрсетіледі. AP1 – MADS қорапшасы типіндегі ген, ал AP2 – AP2 құрамындағы гендер отбасысына жатады, ол осы гендерге атын берген және тек өсімдіктерде ғана кездесетін транскрипция факторларынан тұрады. AP2 гүлді құрлымда C класының AGAMOUS (AG) генін басу үшін TOPLESS (TPL) корепрессорымен кешендеседі екені көрсетілген. Дегенмен, AP2 өсімдік түйінінің апикальды меристемасында (SAM) экспрессияланбайды, онда Arabidopsis өсімдігінің ересек өмірінің барлық кезеңінде жасырын түбірлік клеткалар популяциясы бар. Сондықтан, TPL SAM-де AG-ны басу үшін басқа А класының гендерімен жұмыс істейді деп болжанады. Петуния гибридасынан AP2-ге ұқсас үш ген оқшауланды: P. гибрида APETALA2A (PhAP2A), PhAP2B және PhAP2C. PhAP2A, тізілім және экспрессия үлгісі бойынша Arabidopsis AP2 генімен үлкен дәрежеде гомологты, бұл екі геннің ортологты екенін көрсетеді. PhAP2B және PhAP2C ақуыздары, болғанмен AP2-ге ұқсас транскрипция факторларының отбасына жатады, бірақ сәл өзгеше. Сонымен қатар, олар PhAP2A-мен салыстырғанда өте ұқсас болғанымен, әртүрлі экспрессияланады. Шындығында, осы гендердің мутанттары А гендерінің нөлдік аллельдеріне тән әдеттегі фенотипті көрсетпейді. Петунияда А функциясының нақты гені табылған жоқ; бірақ А функциясының бір бөлігі (сыртқы екі гүл жапырағында C-нің тежелуі) көбінесе miRNA169 (көбінесе BLIND деп аталады) -ға жатқызылады.

В-түрлі функцияларды көрсететін гендер

А. талианадағы B типті функция негізінен екі геннен туындайды: APETALA3 (AP3) және PISTILLATA (PI), екеуі де MADS жәшік гендері. Осы гендердің біреуінің мутациясы гүлдің жапырақшаларын тостағаншаларға, ал аталықтарды аналыққа айналдырады. Бұл A. majus-тағы олардың гомологтарында да орын алады, олар сәйкесінше DEFICIENS (DEF) және GLOBOSA (GLO) болып табылады. Екі түр үшін де ДНҚ-мен байланысудың белсенді түрі гетеродимерден туындайды: AP3 және PI, немесе DEF және GLO димеризацияланады. Олар осы күйде ғана жұмыс істей алады. Петунияда дубликацияланған GLO/PI желілері P. hybrida GLOBOSA1 (PhGLO1, сондай-ақ FBP1 деп те аталады) және PhGLO2 (PMADS2 немесе FBP3 деп те аталады) қамтиды. Петуниядағы AP3/DEF-ке балама функционалдық элементтер үшін салыстырмалы түрде ұқсас тізбекке ие PhDEF гені және PhTM6 деп аталатын атипикалық B функциясы гені бар. Филогенетикалық зерттеулер алғашқы үш генді «euAP3» туысына, ал PhTM6-ны «paleoAP3» туысына жатқызды. Эволюциялық тарих тұрғысынан, «euAP3» желісінің пайда болуы дикотиледондардың пайда болуымен байланысты болып көрінеді, себебі «euAP3» типті B функциясы гендері дикотиледондарда кездеседі, ал «paleoAP3» гендері монокотиледондарда және базальдық гүлді өсімдіктерде кездеседі. Жоғарыда айтылғандай, эудикотиледондардың гүлдік мүшелері 4 түрлі қабатқа орналасқан, олар тостағаншалар, жапырақшалар, аталықтар және аналықтарды қамтиды. ABC моделі бойынша, осы мүшелердің сәйкестігін гомеотикалық гендер A, A+B, B+C және C анықтайды. Эудикоттардың тостағанша және жапырақша қабаттарынан өзгеше, көптеген лилия тұқымдасы өсімдіктерінде екі дерлік бірдей сыртқы жапырақша қабаты (тостағанша-жапырақшалар) болады. Лилия тұқымдасының гүлдік морфологиясын түсіндіру үшін ван Тунен және авторлар тобы 1993 жылы ABC моделінің өзгертілген нұсқасын ұсынды. Бұл модель B класының гендері 2 және 3 қабаттарда ғана емес, сонымен қатар 1 қабатта да экспрессияланатынын болжайды. Осылайша, 1 және 2 қабаттардың мүшелері A және B класының гендерін экспрессиялайды және осының нәтижесінде жапырақша тәрізді құрылымға ие болады. Бұл теориялық модель Antirrhinum гендерінің гомологтарын клондау және сипаттау арқылы экспериментальды түрде расталды: GLOBOSA және DEFICIENS лилия тұқымдасының өкілі – Tulipa gesneriana түлпісінде. Бұл гендер 1, 2 және 3 қабаттарда экспрессияланады. GLOBOSA және DEFICIENS гомологтары Agapanthus praecox ssp. orientalis (Agapanthaceae) түрінде де оқшауланды және сипатталды, бұл түр модельдік организмдерден филогенетикалық тұрғыдан алшақ жатыр. Бұл зерттеуде гендер тиісінше ApGLO және ApDEF деп аталды. Екеуі де 210-дан 214-ке дейін аминқышқылдары бар белоктарды кодтайтын ашық оқу кадрларын қамтиды. Бұл тізбектердің филогенетикалық талдауы олардың монокотиледондардың B гендер отбасысына жататынын көрсетті. In situ гибридтеу зерттеулері екі тізбектің де 1 қабатта, сондай-ақ 2 және 3 қабаттарда экспрессияланатынын көрсетті. Нәтижесінде, бұл байқаулар Agapanthus гүлдерінің даму механизмі де ABC моделінің өзгертілген нұсқасына сәйкес келетінін көрсетеді.

In A. thaliana the type B function mainly arises from two genes, APETALA3 (AP3) and PISTILLATA (PI), both of which are MADS box genes. A mutation of either of these genes causes the homeotic conversion of petals into sepals and of stamens into carpels. This also occurs in its orthologs in A. majus, which are DEFICIENS (DEF) and GLOBOSA (GLO) respectively. For both species the active form of binding with DNA is that derived from the heterodimer: AP3 and PI, or DEF and GLO, dimerize. This is the form in which they are able to function. The GLO/PI lines that have been duplicated in Petunia contain P. hybrida GLOBOSA1 (PhGLO1, also called FBP1) and also PhGLO2 (also called PMADS2 or FBP3). For the functional elements equivalent to AP3/DEF in Petunia there is both a gene that possesses a relatively similar sequence, called PhDEF and there is also an atypical B function gene called PhTM6. Phylogenetic studies have placed the first three within the «euAP3» lineage, while PhTM6 belongs to that of «paleoAP3». It is worth pointing out that, in terms of evolutionary history, the appearance of the euAP3 line seems to be related with the emergence of dicotyledons, as representatives of euAP3 type B function genes are present in dicotyledons while paleoAP3 genes are present in monocotyledons and basal angiosperms, among others. As discussed above, the floral organs of eudicotyledonous angiosperms are arranged in 4 different verticils, containing the sepals, petals, stamen and carpels. The ABC model states that the identity of these organs is determined by the homeotic genes A, A+B, B+C and C, respectively. In contrast with the sepal and petal verticils of the eudicots, the perigone of many plants of the family Liliaceae have two nearly identical external petaloid verticils (the tepals). In order to explain the floral morphology of the Liliaceae, van Tunen et al. proposed a modified ABC model in 1993. This model suggests that class B genes are not only expressed in verticils 2 and 3, but also in 1. It therefore follows that the organs of verticils 1 and 2 express class A and B genes and this is how they have a petaloid structure. This theoretical model has been experimentally proven through the cloning and characterization of homologs of the Antirrhinum genes GLOBOSA and DEFICIENS in a Liliaceae, the tulip Tulipa gesneriana. These genes are expressed in verticils 1,2 and 3. The homologs GLOBOSA and DEFICIENS have also been isolated and characterized in Agapanthus praecox ssp. orientalis (Agapanthaceae), which is phylogenetically distant from the model organisms. In this study the genes were called ApGLO and ApDEF, respectively. Both contain open reading frames that code for proteins with 210 to 214 amino acids. Phylogenetic analysis of these sequences indicated that they belong to B gene family of the monocotyledons. In situ hybridization studies revealed that both sequences are expressed in verticil 1 as well as in 2 and 3. When taken together, these observations show that the floral development mechanism of Agapanthus also follows the modified ABC model.

С-түрлі функцияларды көрсететін гендер

А. талианада С функциясы АГАМУС (АГ) деп аталатын бір MADS қорапшасы типті геннен туындайды, ол аталық және аналық мүшелердің анықталуына, сондай-ақ гүлдік меристеманың қалыптасуына қатысады. Петунияда, Антирринумда және жүгеріде С функциясы бірнеше гендердің әрекеті арқылы реттеледі. Петуниядағы АГ-ның жақын гомологтары – pMADS3 және гүлге байланысқан протеин 6 (FBP6). Олар аналық мүшелер мен жұмыртқаның дамуын бақылауға қатысады, тіпті тұқымды таратумен байланысты құрылымдарға да әсер етеді. 1994 жылы петуния мен помидордағы РНК-интерференция зерттеулерінде қызықты фенотиптердің пайда болуы гүлдің даму моделінде жаңа функцияның анықталуына алып келді. E функциясы бастапқыда үш ішкі қабаттың дамуына ғана қатысады деп есептелген, бірақ кейінгі зерттеулер оның барлық гүлдік қабаттарда экспрессиялануы қажет екенін көрсетті.