Кіріспе
Арабидопсис талиана (Arabidopsis thaliana) – қыша тұқымдасына жататын шағын өсімдік. Еуразия мен Африкаға тән, көбінесе жол жиегінде және бұзылған жерлерде кездесетін бұл өсімдік, әдетте, арамшөп саналады. Қыста бір жылдық өсімдік болып өсетін және өмірлік циклы салыстырмалы түрде қысқа А. талиана, өсімдік биологиясы мен генетикасында кеңінен қолданылатын үлгілік организм. Көпжасушалы эукариотқа қарағанда, А. талиананың геномы шамамен 135 мегабазалық жұптан тұрады, бұл салыстырмалы түрде кішкентай. Ол геномы секвенирленген алғашқы өсімдік және гүлдің дамуы мен жарықты сезу сияқты көптеген өсімдік белгілерінің молекулалық биологиясын түсіну үшін маңызды құрал болып табылады.
Arabidopsis thaliana, the thale cress, mouse ear cress or arabidopsis, is a small plant from the mustard family (Brassicaceae), native to Eurasia and Africa. Commonly found along the shoulders of roads and in disturbed land, it is generally considered a weed. A winter annual with a relatively short lifecycle, A. thaliana is a popular model organism in plant biology and genetics. For a complex multicellular eukaryote, A. thaliana has a relatively small genome of around 135 megabase pairs. It was the first plant to have its genome sequenced, and is an important tool for understanding the molecular biology of many plant traits, including flower development and light sensing.
Сипаттама
Арабидопсис талиана – бір жылдық (сирек екі жылдық) өсімдік, көбінесе 20–25 см биіктікке жетеді. Тамырлары қарапайым құрылымды, бір түбіртек тамырдан тұрады, ол тік төмен өседі, кейін кіші бүйірлік тамырлар пайда болады. Бұл тамырлар Bacillus megaterium сияқты ризосфера бактерияларымен байланысқа түседі. А. талиана толық өмірлік циклын алты апта ішінде аяқтауға қабілетті. Гүл шығаратын орталық сабақ шамамен 3 аптадан кейін өсе бастайды, ал гүлдер табиғи түрде өздігінен тозаңданады. Зертханада А. талиананы Петри табақтарында, горшоктарда немесе гидропоникалық ортада, флуоресценттік шамдар астында немесе жылыжайда өсіруге болады.
Таксономия
Бұл өсімдікті алғаш рет 1577 жылы Германияның Тюринген штатының Нордхаузен қаласынан келген дәрігер Иоганнес Таль (1542–1583) Харц тауларында сипаттап, оны Pilosella siliquosa деп атады. 1753 жылы Карл Линней Тальдың құрметіне өсімдікті Arabis thaliana деп атады. 1842 жылы неміс ботаник Густав Хайнхольд жаңа Arabidopsis туысын құрастырып, өсімдікті сол туысқа қосты. Arabidopsis деген жалпы атауы грек тілінен шыққан, "Arabis-ке ұқсайды" дегенді білдіреді (Линней оны бастапқыда орналастырған туыс). A. thaliana-ның мыңдаған табиғи инбридтің түрлері оның табиғи және енгізілген ареалы бойынша жиналды. Бұл түрлер генетикалық және фенотиптік айырмашылықтарды көрсетеді, оларды осы түрдің әртүрлі ортаға бейімделуін зерттеу үшін пайдалануға болады. Сондай-ақ, ол Африканың тропикалық альпілік экожүйелерінде және, мүмкін, Оңтүстік Африкада да табиғи түрде өседі. Ол бүкіл әлемде, соның ішінде Солтүстік Америкада 17 ғасырда енгізіліп, табиғиландырылған. A. thaliana тез өседі және көбінесе тасты, құмды және әктасты топырақтарда өседі. Ол, әдетте, егістік алқаптарда, жол жиектерінде, теміржол желілерінде, қиыршық жерлерде және басқа да бұзылған орталарда кең таралғандықтан, арамшөп саналады, бірақ оның бәсекеге төзімділігі шектеулі және көлемі кішкентай болғандықтан, зиянды арамшөп ретінде жіктеледі. Brassicaceae туысына жататын көптеген түрлер сияқты, A. thaliana-ны адамдар салатқа немесе пісіріп жеуге болады, бірақ оны көктемгі көкөніс ретінде кеңінен қолданбайды.
Үлгілік организм ретінде пайдалану
Ботаниктер мен биологтар А. талиананы 1900 жылдардың басында зерттеуді бастады, ал мутанттардың алғашқы жүйелі сипаттамасы 1945 жылы жасалды. А. талиана қазір өсімдік ғылымдарын зерттеу үшін кеңінен қолданылады, соның ішінде генетика, эволюция, популяциялық генетика және өсімдіктердің дамуы. А. талиана өсімдігінің ауыл шаруашылығына тікелей қатысы аз болса да, модельді организм А. талиана гүлді өсімдіктердің генетикалық, жасушалық және молекулалық биологиясын түсінуде революция жасады. А. талиананың алғашқы мутантын 1873 жылы Александр Браун құжаттап, қос гүлдің фенотипін сипаттады (мутацияланған ген, ықтимал, Агамды, 1990 жылы клондалып сипатталған). Фридрих Лайбах (хромосомалық санын 1907 жылы жариялаған) 1943 жылға дейін А. талиананы үлгілік организм ретінде ұсынған жоқ. Оның шәкірті Эрна Рейнхольц 1945 жылы А. талиана туралы диссертациясын жариялады, онда рентгендік мутагенез арқылы алынған А. талиананың алғашқы мутанттар жинағы сипатталды. Лайбах А. талиананың зерттеулеріне үлкен сандағы қосымша материалдарды (көбінесе «экотиптер» деп аталатын) жинап, өзінің маңызды үлесін жалғастырды. Альберт Кранцтың көмегімен олар әлемнің түкпір-түкпірінен А. талиананың 750 табиғи қосымша материалының үлкен жинағына ұйымдастырылды. 1950-1960 жылдары Джон Лэнгридж пен Джордж Редей А. талиананы биологиялық зертханалық эксперименттер үшін пайдалы организм ретінде белгілеуде маңызды рөл атқарды. Редей ғылыми қоғамдастыққа модельді енгізуге ықпал еткен бірнеше ғылыми шолулар жазды. А. талиананың зерттеу қауымдастығының басталуы 1964 жылы құрылған «Арабидопсис ақпараттық қызметі» деп аталатын хабарламаларға байланысты. Бірінші Халықаралық Арабидопсис конференциясы 1965 жылы Геттинген қаласында өтті. 1980 жылдары А. талиана әлемдегі өсімдіктерді зерттеу зертханаларында кеңінен қолданыла бастады. Бұл жүгері, петуния және темекі сияқты бірнеше кандидаттардың бірі болды.
Геномдық
[[Файл:Plastomap of Arabidopsis thaliana. А. талиананың хлоропласт геном картасы: А. талиана бес хромосомаға ие, және өсімдіктер арасындағы ең кішкентай геномдардың бірі. Бірақ, қазір бұл атақ Genlisea туысына жататын, Lamiales орденіне кіретін өсімдіктерге тиесілі деп есептеледі, соның ішінде Genlisea tuberosa – ет жейтін өсімдік, оның геном мөлшері шамамен 61 Мбп құрайды. Бұл геномды реттелген алғашқы өсімдік геномы, және 2000 жылы Arabidopsis Genome Initiative тобы оны аяқтады. А. талиана геномының ең жаңа нұсқасы Arabidopsis Information Resource-та сақталады. Геном шамамен 27 600 ақуызды кодтайтын гендерді және 6 500-ге жуық кодтамайтын гендерді қамтиды. Дегенмен, Uniprot дерекқоры Arabidopsis эталондық протеомында 39 342 ақуыз тізімделгенін көрсетеді. 27 600 ақуызды кодтайтын гендердің 25 402-сі (91,8%) қазір "мағыналы" өнім атауларымен белгіленген, алайда осы ақуыздардың көп бөлігі нашар түсінілген және тек жалпылама сипатталады (мысалы, "белгілі ерекшелігі жоқ ДНҚ байланыстыратын ақуыз"). Uniprot эталондық протеомның бір бөлігі ретінде 3000-нан астам ақуызды "сипатталмаған" деп тізімдейді.
Хлоропласт геномы
А. талиананың пластомасы – 154 478 негіз жұптық ұзындықтағы ДНК молекуласы, мұндай өлшем гүлді өсімдіктердің көпшілігінде кездеседі (секуенцияланған пластомалар тізімін қараңыз). Ол кішігірім суббұрыш рибосомалық ақуыздарды (rps, сары түсті: суретті қараңыз), ірі суббұрыш рибосомалық ақуыздарды (rpl, апельсин), гипотетикалық хлоропласт ашық оқу кадрларының ақуыздарын (ycf, лимон), фотосинтез реакцияларында қатысатын (жасыл) немесе басқа функцияларды атқаратын (қызыл) ақуыздарды, рибосомалық РНК-ны (rrn, көк) және трансфер РНК-ны (trn, қара) кодтайтын 136 геннен тұрады.
Митохондриялық геном
А. талиананың митохондриялық геномі 367 808 негіз жұбынан тұрады және 57 генді қамтиды. Арабидопсис митохондриялық геномда көптеген қайталама аймақтар кездеседі. Ең ірі қайталамалар тұрақты түрде рекомбинацияланып, геномның изомерленуіне себеп болады. Көптеген өсімдік митохондриялық геномдары сияқты, Арабидопсис митохондриялық геномдары да тірі жасушаларда бір-бірімен тоғысқан, тармақталған және сызықты молекулалардың күрделі құрылымы түрінде кездеседі.
Генетика
А. талиананың генетикалық трансформациясы Agrobacterium tumefaciens көмегімен өсімдік геномына ДНҚ енгізу үшін кеңінен қолданылады. Қазіргі протокол, «гүлдік шолу» деп аталатын, қызығушылық тудыратын плазмид және жуғыш заттар бар Agrobacterium ерітіндісіне гүлдерді батыруды қамтиды. Бұл әдіс тінді өсіру немесе өсімдікті жаңарту қажеттілігін жояды. А. талиана гендік нокаут жинақтары – жоғары өнімді трансформацияның және геномика ресурстарын қаржыландырудың нәтижесінде пайда болған өсімдік биологиясы үшін бірегей ресурс. 300 000-нан астам тәуелсіз трансгендік желілер үшін T-ДНҚ ену орындары анықталды, ақпарат пен тұқымдар онлайн T-ДНҚ дерекқонынан қолжетімді. Осы жинақтар арқылы А. талиананың көптеген гендері үшін инсерциялық мутанттар бар. А. талиананың сипатталған түрлері мен мутант желілері зертханалық зерттеулерде эксперименттік материал ретінде қолданылады. Ең көп қолданылатын негізгі желілер – Ler (Landsberg erecta) және Col, немесе Колумбия. Ғылыми әдебиетте сирек кездесетін басқа желілер: Ws, немесе Wassilewskija, C24, Cvi, немесе Кабо-Верде аралдары, Nossen және т.б. (мысалы, қараңыз). Col 0, Col 1 және т.б. деп аталатын, бір-бірімен тығыз байланысты түрлердің жиынтығы алынып, сипатталды; әдетте, мутант желілерін қор орталықтары арқылы алуға болады, олардың ең танымалдары – Ноттингем Арабидопсис қор орталығы NASC. Col 0 түрін Редей Лайбахтан алған «Ландсберг» тұқымдарының (сәулеленбеген) популяциясынан таңдады. Колумбия (Редейдің бұрынғы мекемесі, Миссури университетінің Колумбиядағы орналасқан жерінің аты) – Arabidopsis Genome Initiative жобасында реттелген анықтамалық түр болды. Кейінгі (Landsberg erecta) желісін Редей (оның кішкентай мөлшеріне байланысты) рентген сәулелерімен мутацияланған Ландсберг популяциясынан таңдады. Ler мутанттарының жинағы осы бастапқы желіден алынғандықтан, Ler 0 Ландсберг түрлеріне сәйкес келмейді, олар La 0, La 1 және т.б. деп белгіленеді. Трихома қалыптасуын GLABROUS1 белгісі бастайды. Тиісті геннің нокауты безді өсімдіктердің пайда болуына әкеледі. Бұл фенотип бұрыннан гендік өңдеу эксперименттерінде қолданылған және CRISPR/Cas9 сияқты гендік өңдеу әдістерін жақсарту үшін өсімдіктерді зерттеуде визуальды маркер ретінде пайдалы болуы мүмкін.
The Col 0 accession was selected by Rédei from within a (nonirradiated) population of seeds designated 'Landsberg' which he received from Laibach. Columbia (named for the location of Rédei's former institution, University of Missouri Columbia) was the reference accession sequenced in the Arabidopsis Genome Initiative. The Later (Landsberg erecta) line was selected by Rédei (because of its short stature) from a Landsberg population he had mutagenized with X rays. As the Ler collection of mutants is derived from this initial line, Ler 0 does not correspond to the Landsberg accessions, which designated La 0, La 1, etc. Trichome formation is initiated by the GLABROUS1 protein. Knockouts of the corresponding gene lead to glabrous plants. This phenotype has already been used in gene editing experiments and might be of interest as visual marker for plant research to improve gene editing methods such as CRISPR/Cas9.
Мендельдік емес мұрагерлік дау
2005 жылы Пердью университетінің ғалымдары А. талиананың бұрынғыдан белгілі ДНҚ жөндеу механизмдеріне альтернативті механизмдері бар екенін болжады, бұл ерекше мұрагерлік үлгісіне алып келді. Алайда, байқалған құбылыс (HOTHEAD генінің мутантты көшірмелерінің жабайы типке қайта оралуы) кейіннен артефакт екені ұсынылды, себебі мутанттарда органдардың бірігуі салдарынан ауткроссинг деңгейі жоғарылайды.
Өмір циклі
Өсімдіктің кішігірім мөлшері мен жылдам өмірлік циклі зерттеулер үшін де пайдалы. Көктемгі эфемер ретінде қалыптасқандықтан, ол тұқымнан пісіп жетілген тұқымға дейін шамамен 6 аптаға созылатын бірнеше зертханалық штаммдарды құруға қолданылды. Өсімдіктің кішкентай көлемі шектеулі кеңістікте өсіруге қолайлы, және ол көптеген тұқымдар береді. Бұдан әрі, өсімдіктің өзіне-өзі тозаңдану қабілеті генетикалық тәжірибелерге көмектеседі. Сонымен қатар, бір өсімдік бірнеше мың тұқым өндіре алатындықтан, жоғарыда аталған критерийлердің әрқайсысы A. thaliana-ны генетикалық модельдік организм ретінде бағалауға мүмкіндік береді.
Жасушалық биология
Арабидопсис өсімдіктердегі SNARE-терді зерттеу үшін жиі үлгі ретінде қолданылады. Бұл SNARE-тердің везикула тасымалына (көлікке) тығыз қатысты екенін көрсетті. Женг және авторлар тобы 1999 жылы Arabidopsis SNARE-і AtVTI1a Голджи-вакуоль тасымалына (көлікке) қажетті болуы мүмкін екенін анықтады. Бұл әлі де кең зерттеуді күтіп тұрған сала, және өсімдік SNARE-терінің тасымал (көлік) процесіндегі рөлі жеткілікті зерттелмеген.
ДНҚ-ны жөндеу
Өсімдіктердің ДНК-сы ультракүлгін сәулелерге осал, ал ДНК жөндеу механизмдері ультракүлгін сәулелердің тудырған геномдық зақымдануды болдырмау немесе жөндеу үшін қалыптасқан. Кайзер және авторлар А. талианадағы циклобутан пиримидин димерлерінің (CPD) ультракүлгін сәулелермен шақырылуы CPD фотолизасының экспрессиясы арқылы жөнделуі мүмкін екенін көрсетті.
Ай реголитіндегі өсіп-өну
2022 жылдың 12 мамырында НАСА Арабидопсис талиананың үлгілері сәтті өніп, ай реголитінің үлгілерінде өсірілгенін хабарлады. Өсімдіктер сәтті өніп, көшеттерге айналғанмен, бақылау тобы ретінде қолданылған жанартау күлінде өсірілген үлгілерге қарағанда олардың өсуі нашар болды. Алайда, эксперименттер реголитте өсірілген өсімдіктердің өсуінде де айырмашылықтарды көрсетті, себебі Аполлон 12 және Аполлон 17 миссияларында жиналған реголитте өсірілген А. thaliana, Аполлон 11 миссиясында алынған үлгілерде өсірілгендерге қарағанда күштірек болды.
Гүлдердің дамуы
А. талиана гүлдің даму үлгісі ретінде кеңінен зерттелген. Дамитын гүлде төрт негізгі мүше болады: сепалдар, жапырақшалар, тоқшалар және карпельдер (кейіннен пестильдерді құрайды). Бұл мүшелер қатар-қатар орналасқан, сыртқы қатарда төрт сепал, одан ішке қарай төрт жапырақша, алты тоқша және орталық карпель аймағы орналасқан. А. талианадағы гомеотикалық мутациялар бір мүшенің екінші мүшеге айналуына әкеледі. Мысалы, агамдық мутацияның жағдайында тоқшалар жапырақшаға айналады, ал карпельдер жаңа гүлмен алмастырылады, нәтижесінде сепал-жапырақша-жапырақша үлгісі қайталап пайда болады. А. талиананы зерттеу арқылы гүлдің дамуының ABC моделі жасалды. Гомеотикалық мутациялар туралы байқаулар Э. Коэн мен Э. Мейеровицтің гүлдің дамуының ABC моделін жасауына әкелді. Бұл модельге сәйкес, гүлдік мүшелердің сәйкестігін анықтайтын гендер үш классқа бөлінеді: A класының гендері (сепалдар мен жапырақшаларға әсер етеді), B класының гендері (жапырақшалар мен тоқшаларға әсер етеді) және C класының гендері (тоқшалар мен карпельдерге әсер етеді). Бұл гендер даму кезінде тиісті аймақтарда тіндердің ерекшелігін анықтайтын транскрипция факторларын кодтайды. А. талиана гүлдерін зерттеу арқылы жасалғанмен, бұл модель басқа гүлді өсімдіктерге де қолданылады.
Жапырақтың дамуы
А. талиананы зерттеулер жапырақ морфогенезінің генетикасына, әсіресе дикотиледондар түріндегі өсімдіктерге қатысты маңызды түсініктер берді. Осы түсініктердің көп бөлігі жапырақ дамуындағы мутанттарды талдау нәтижесінде алынды, олардың кейбіреулері 1960 жылдары анықталған, бірақ генетикалық және молекулалық әдістермен 1990 жылдардың ортасына дейін талданбаған. А. талиана жапырақтары жапырақ дамуын зерттеуге өте ыңғайлы, себебі олар салыстырмалы түрде қарапайым және тұрақты. А. талиананы пайдалану арқылы жапырақ пішінінің дамуының генетикасы айқын болды және үш кезеңге бөлінді: жапырақ примордиумының басталуы, дорсивентральдылықтың қалыптасуы және шеттік меристемнің дамуы. Жапырақ примордиумы I класты KNOX отбасының (мысалы, SHOOT APICAL MERISTEMLESS) гендері мен ақуыздарын басу арқылы басталады. Бұл I класты KNOX ақуыздары жапырақ примордиумында гиббереллиннің биосинтезін тікелей тежейді. Жапырақ примордиумындағы I класты KNOX гендерін басуға көптеген генетикалық факторлар қатысады (мысалы, ASYMMETRIC LEAVES1, BLADE ON PETIOLE1, SAWTOOTH1 және т.б.). Осылайша, бұл басу гиббереллиннің деңгейін арттырады және жапырақ примордиумы өсуді бастайды. Жапырақтың дорсивентральдылығын қалыптастыру маңызды, өйткені жапырақтың дорсальдық (адаксиалдық) беті вентральдық (абаксиалдық) бетінен өзгеше.
Микроскопиялық
А. талиана жарық микроскопиясымен талдауға өте ыңғайлы. Жас көшеттер, әсіресе олардың тамырлары, көбінесе мөлдір болады. Бұл, олардың кішкентай өлшемімен бірге, флуоресценциялық және конфокалды лазерлік сканерлеу микроскопиясын қолдана отырып, тірі жасушаларды бейнелеуді жеңілдетеді. Көшеттерді суға немесе өсіру ортасына ылғалды орналастыру арқылы өсімдіктерді бұзусыз суретке түсіруге болады, бұл бекіту және кесу қажеттілігін жояды және уақыт өте келе өлшеулер жасауға мүмкіндік береді. Флуоресцентті ақуыз конструкцияларын трансформация арқылы енгізуге болады. Әрбір жасушаның даму кезеңін өсімдіктегі орналасуы немесе флуоресцентті ақуыз маркерлерін пайдалану арқылы анықтауға болады, бұл дамуды егжей-тегжейлі талдауға мүмкіндік береді.
Жарық сенсорлары, жарық сәулелері және циркадтық биология
А, В, С, D және Е фоторецепторлары қызыл жарыққа негізделген фототроптық жауапты қамтамасыз етеді. Бұл рецепторлардың функциясын түсіну өсімдік биологтарына өсімдіктердегі фотопериодизмді, өніп-өсуді, деэтиоляцияны және көлеңкеден қашуды реттейтін сигналдық каскадтарды түсінуге көмектесті. FCA, fy гендері гүлдеудің және көктемдеудің фотопериодтық іске қосылуына қатысады. Lee және авторлардың 1994 жылғы зерттеуі бойынша ld гомеодоменді, ал Blazquez және авторлардың 2001 жылғы зерттеуі бойынша fve WD40 қайталамасын өндіреді. Бұл белгілер фототропиндік жарық рецепторлары қабылдайтын көк жарыққа жауап береді. Арабидопсис өсімдіктердің циркадтық ырғақтарын бақылау үшін жарықпен байланысу үшін маңызды тағы бір көк жарық рецепторы – криптохромды түсінуде де маңызды рөл атқарады. Қараңғылық күткеннен ертерек басталғанда, А. талиана крахмал метаболизмін мөлшерлеп азайтады, бұл жаңару үшін бөлінуді қажет етеді. Бұрын жарыққа сезімтал емес деп есептелген тамырларда да жарыққа жауап берушілік анықталды. А. талиана тамыр органдарының гравитроптық жауабы олардың басым троптық жауабы болғанымен, мутагендермен өңделген және гравитроптық әрекеті жоқ үлгілер көк немесе ақ жарыққа теріс фототроптық жауап, ал қызыл жарыққа оң жауап көрсетті, бұл тамырлар да оң фототропизмді көрсететінін білдіреді. 2000 жылы Райс университетінің докторы Джанет Брам А. талиананы қолмен тигенде қараңғыда жарқырау үшін генетикалық түрлендірді. Бұл эффект ультрасезімтал камераларда байқалды. "Жарқын өсімдік" жобасы сияқты көптеген күш-жігерлер А. талиананы өсімдік люминесценциясының қарқындылығын коммерциялық деңгейге жеткізу үшін пайдалануға бағытталған.
Тигмоморфогенез (Тісімен сезу реакциясы)
1990 жылы Джанет Брам және Рональд У. Дэвис А. талиананың жел, жаңбыр және тигізуге жауап ретінде тигмоморфогенездік қасиеттерін көрсететінін анықтады. А. талианадағы төрт немесе одан көп тигізуге шақырылған гендер мұндай стимулдармен реттелетіні анықталды.
Айда
2019 жылдың 2 қаңтарында Қытайдың "Чанъэ-4" қондырғысы А. талиананы Айға жеткізді. Қондырғыдағы шағын "капсула" ішінде А. талиана, картоп тұқымдары және жібекқұрт жұмыртқалары болды. Өсімдіктер жібекқұрттарға оттегімен қамтамасыз етсе, жібекқұрттар өз қалдықтары арқылы өсімдіктерге қажетті көмірқышқыл газы мен қоректік заттарды беретін болғандықтан, ғалымдар өсімдіктердің айда фотосинтезді табысты жүзеге асырып, өсіп, гүлдей алатынын бағалауды жоспарлап отыр.