Введение

Модель генетики развития цветка

Модель ABC развития цветка – это научная модель процесса, посредством которого цветковые растения формируют паттерн экспрессии генов в меристемах, приводящий к образованию органа, ориентированного на половое размножение – цветка. Для этого необходимо, чтобы произошло три физиологических события: во-первых, растение должно перейти от половой незрелости к половой зрелости (то есть к переходу к цветению); во-вторых, трансформация функции апикальной меристемы из вегетативной в цветочную меристему или соцветие; и, наконец, рост отдельных органов цветка. Последняя фаза была смоделирована с использованием модели ABC, которая направлена на описание биологической основы процесса с точки зрения молекулярной и генетики развития. Для запуска дифференциации меристемы в цветочную меристему требуется внешний стимул. Этот стимул активирует митотическое деление клеток в апикальной меристеме, особенно по ее бокам, где формируются новые примордии. Тот же стимул заставляет меристему следовать модели развития, которая приводит к росту цветочных, а не вегетативных меристем. Основное отличие между этими двумя типами меристем, помимо очевидной разницы в формируемых органах, заключается в вертициллированной (или спиральной) филотаксии, то есть в отсутствии удлинения стебля между последовательными витками или мутовками примордий. Эти мутовки развиваются по акропетальному типу, давая начало чашелистикам, лепесткам, тычинкам и пестикам. Еще одно отличие от вегетативных подмышечных меристем состоит в том, что цветочная меристема является «детерминированной», то есть после дифференциации ее клетки больше не делятся. Идентичность органов в четырех цветочных мутовках является результатом взаимодействия как минимум трех типов продуктов генов, каждый из которых выполняет различные функции. Согласно модели ABC, функции A и C необходимы для определения идентичности мутовок околоцветника и репродуктивных мутовок соответственно. Эти функции взаимоисключающие, и отсутствие одной из них означает, что другая определит идентичность всех цветочных мутовок. Функция B позволяет дифференцировать лепестки от чашелистиков во второй мутовке, а также тычинки от пестиков в третьей мутовке. Теория листа Гёте была сформулирована в XVIII веке и предполагает, что составные части цветка являются структурно модифицированными листьями, функционально специализирующимися для размножения или защиты. Теория была впервые опубликована в 1790 году в эссе «Метаморфоза растений» («Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklären»), где Гёте писал:

Цветочный переход

Переход от вегетативной фазы к репродуктивной фазе включает в себя кардинальные изменения в жизненном цикле растения, возможно, самое важное из них, поскольку процесс должен быть выполнен правильно, чтобы гарантировать воспроизводство растения. Этот переход характеризуется индукцией и развитием меристемы соцветия, которая будет производить совокупность цветков или один цветок. Это морфогенетическое изменение включает как эндогенные, так и экзогенные факторы: например, для инициации этого изменения растению необходимо иметь определенное количество листьев и содержать определенный уровень общей биомассы. Также требуются определенные условия окружающей среды, такие как характерный фотопериод. Растительные гормоны играют важную роль в этом процессе, особенно значима роль гиббереллинов. Существует множество сигналов, регулирующих молекулярную биологию этого процесса. Следующие три гена Arabidopsis thaliana обладают как общими, так и независимыми функциями в переходе к цветению: ЦВЕТОЧНЫЙ ЛОКУС T (FT), ЛИСТОВЫЙ (LFY), СУПРЕССОР СВЕРХЭКСПРЕССИИ CONSTANS1 (SOC1, также называемый AGAMOUS LIKE20). SOC1 – это ген типа MADS-бокса, который интегрирует сигналы фотопериода, вернализации и гиббереллинов. Вместе с геном WUS, ген SHOOTMERISTEMLESS (STM) также подавляет дифференцировку меристематического купола. Этот ген действует, ингибируя возможную дифференцировку стволовых клеток, но при этом позволяет деление клеток в дочерних клетках, которые, если бы им позволили дифференцироваться, дали бы начало отдельным органам.

Цветовая архитектура

Анатомия цветка, определяемая наличием ряда органов (сепалов, лепестков, тычинок и пестиков), расположенных в соответствии с определенной схемой, облегчает половое размножение у цветковых растений. Цветок возникает в результате активности трех классов генов, регулирующих развитие цветка: он впервые был использован в качестве модели для описания совокупности генетических механизмов, устанавливающих идентичность цветочных органов у розид, как показано на примере Arabidopsis thaliana, и астерид, как показано на примере Antirrhinum majus. Оба вида имеют четыре мутовки (сепалы, лепестки, тычинки и пестики), которые определяются дифференциальной экспрессией ряда гомеотических генов, присутствующих в каждой мутовке. Это означает, что сепалы характеризуются исключительно экспрессией генов А, в то время как лепестки характеризуются коэкспрессией генов А и В. Гены B и C определяют идентичность тычинок, а для пестиков требуется только активность генов C. Гены типа А и С являются взаимно антагонистическими. Тот факт, что эти гомеотические гены определяют идентичность органа, становится очевидным, когда ген, представляющий определенную функцию, например ген А, не экспрессируется. У Arabidopsis эта потеря приводит к цветку, состоящему из одной мутовки пестиков, другой, содержащей тычинки, и еще одной мутовки пестиков. Помимо уже обсужденных функций А, В и С, было также предложено существование двух дополнительных функций D и E. Функция D определяет идентичность завязи как отдельную репродуктивную функцию, отличную от развития пестиков, которое происходит после их определения. Функция E связана с физиологической необходимостью, характерной для всех цветочных мутовок, хотя изначально она была описана как необходимая для развития трех внутренних мутовок (функция E sensu stricto). Однако ее более широкое определение (sensu lato) предполагает, что она требуется во всех четырех мутовках. Следовательно, при потере функции D структура завязи становится похожей на структуру листьев, а при потере функции E sensu stricto цветочные органы трех внешних мутовок превращаются в сепалы.

Генетический анализ

Методология изучения развития цветков включает два этапа. Первый – идентификация точных генов, необходимых для определения идентичности цветочной меристемы. У A. thaliana к ним относятся APETALA1 (AP1) и LEAFY (LFY). Второй – генетический анализ проводится для изучения аберрантных фенотипов и их цветовых характеристик, что позволяет охарактеризовать гомеотические гены, участвующие в этом процессе.

Анализ мутантов

Существует множество мутаций, влияющих на морфологию цветков, хотя анализ этих мутаций – относительно недавнее достижение. Подтверждением существования этих мутаций служит тот факт, что значительное их число влияет на идентичность цветочных органов. Например, некоторые органы развиваются не в тех местах, где должны располагаться другие. Это называется гомеотической мутацией, которая аналогична мутациям генов HOX, обнаруженным у дрозофилы. У Arabidopsis и Antirrhinum, двух таксонов, на которых основаны модели, эти мутации всегда затрагивают соседние ви́рты (круги). Это позволяет выделить три класса мутаций, в зависимости от того, какие ви́рты (круги) поражены:
Мутации в генах типа А – Эти мутации влияют на чашечку и венчик, которые являются самыми внешними ви́ртами (кругами). У этих мутантов, таких как APETALA2 у A. thaliana, вместо чашелистиков развиваются плодолистики, а вместо лепестков – тычинки. Это означает, что ви́рты (круги) околоцветника превращаются в репродуктивные ви́рты (круги).
Мутации в генах типа B – Эти мутации влияют на венчик и тычинки, которые являются промежуточными ви́ртами (кругами). У A. thaliana обнаружены две мутации, APETALA3 и PISTILLATA, вызывающие развитие чашелистиков вместо лепестков и плодолистиков вместо тычинок.
Мутации в генах типа C – Эти мутации влияют на репродуктивные ви́рты (круги), а именно на тычинки и плодолистики. Мутант A. thaliana этого типа называется AGAMOUS и характеризуется фенотипом, содержащим лепестки вместо тычинок и чашелистики вместо плодолистиков.

Методы обнаружения дифференциальной экспрессии

Клонирование ДНК было проведено для генов, связанных с нарушенными гомеотическими функциями в мутантах, описанных выше. В ходе этих исследований использовался серийный анализ экспрессии генов на протяжении всего развития цветка, что позволило выявить паттерны экспрессии в тканях, которые в целом соответствуют предсказаниям ABC-модели. Эти гены кодируют факторы транскрипции, которые, как и ожидалось, имеют структурное сходство с группой факторов, обнаруженных у дрожжей и животных. Эта группа называется MADS – акроним, образованный из названий различных факторов, входящих в ее состав. Факторы MADS были выявлены во всех изученных видах растений, однако нельзя исключать участие других элементов, вовлеченных в регуляцию экспрессии генов.

Гены, проявляющие функцию типа А

В A. thaliana функция A в основном представлена двумя генами APETALA1 (AP1) и APETALA2 (AP2). AP1 является геном типа MADS-бокса, а AP2 принадлежит к семейству генов, содержащих AP2, которому он и дал название, и которое состоит из факторов транскрипции, встречающихся только у растений. Также было показано, что AP2 образует комплекс с корепрессором TOPLESS (TPL) в развивающихся цветочных почках для подавления гена класса C AGAMOUS (AG). Однако AP2 не экспрессируется в апикальной меристеме (SAM), содержащей латентную популяцию стволовых клеток на протяжении всей взрослой жизни Arabidopsis, поэтому предполагается, что TPL работает с другим геном класса A в SAM для подавления AG. Всего из Petunia hybrida было выделено три гена, сходных с AP2: P. hybrida APETALA2A (PhAP2A), PhAP2B и PhAP2C. PhAP2A в значительной степени гомологичен гену AP2 Arabidopsis как по последовательности, так и по характеру экспрессии, что позволяет предположить, что эти два гена являются ортологами. Белки PhAP2B и PhAP2C, с другой стороны, несколько отличаются, хотя и принадлежат к семейству факторов транскрипции, сходных с AP2. Кроме того, они экспрессируются по-разному, хотя и очень похожи по сравнению с PhAP2A. Фактически, мутанты по этим генам не проявляют типичный фенотип, характерный для нуль-аллелей генов A. Истинный ген функции A в Petunia обнаружен не был; хотя часть функции A (ингибирование C в двух внешних кругах) в значительной степени приписывается miRNA169 (в разговорной речи называемой BLIND)ref.

Гены, проявляющие функцию типа B

В A. thaliana функция типа B в основном обусловлена двумя генами, APETALA3 (AP3) и PISTILLATA (PI), оба из которых являются генами с доменом MADS-бокса. Мутация любого из этих генов вызывает гомеотическую трансформацию лепестков в чашелистики и тычинок в пестики. То же самое наблюдается и у их ортологов в A. majus, а именно DEFICIENS (DEF) и GLOBOSA (GLO) соответственно. Для обоих видов активной формой связывания с ДНК является форма, полученная из гетеродимера: AP3 и PI, или DEF и GLO, которые димеризуются. Именно в этой форме они способны функционировать. Линии GLO/PI, дуплицированные в Петунии, содержат P. hybrida GLOBOSA1 (PhGLO1, также называемый FBP1) и PhGLO2 (также называемый PMADS2 или FBP3). Для функциональных элементов, эквивалентных AP3/DEF в Петунии, существует ген с относительно схожей последовательностью, называемый PhDEF, а также атипичный ген B-функции, называемый PhTM6. Филогенетические исследования поместили первые три в кладу «euAP3», в то время как PhTM6 принадлежит к кладе «paleoAP3». Важно отметить, что с точки зрения эволюционной истории, появление клады euAP3, по-видимому, связано с возникновением двудольных, поскольку представители генов B-функции типа euAP3 присутствуют у двудольных, в то время как гены paleoAP3 встречаются у однодольных и базальных цветковых растений, среди прочих. Как обсуждалось выше, цветочные органы эудикотиледоновых цветковых растений расположены в 4 различных мутовках, содержащих чашелистики, лепестки, тычинки и пестики. Модель ABC утверждает, что идентичность этих органов определяется гомеотическими генами A, A+B, B+C и C соответственно. В отличие от мутовок чашелистиков и лепестков у эудикотов, околоцветник многих растений семейства Лилейные имеет две почти идентичные внешние лепестковидные мутовки (тепалы). Чтобы объяснить морфологию цветка Лилейных, van Tunen и соавторы в 1993 году предложили модифицированную модель ABC. Эта модель предполагает, что гены класса B экспрессируются не только в мутовках 2 и 3, но и в 1. Следовательно, органы мутовок 1 и 2 экспрессируют гены класса A и B, и именно поэтому они имеют лепестковидную структуру. Эта теоретическая модель была экспериментально подтверждена путем клонирования и характеристики гомологов генов Antirrhinum GLOBOSA и DEFICIENS в представителе семейства Лилейные, тюльпане Tulipa gesneriana. Эти гены экспрессируются в мутовках 1, 2 и 3. Гомологи GLOBOSA и DEFICIENS также были выделены и охарактеризованы в Agapanthus praecox ssp. orientalis (Agapanthaceae), который филогенетически далек от модельных организмов. В этом исследовании гены были названы ApGLO и ApDEF соответственно. Оба содержат открытые рамки считывания, кодирующие белки с 210–214 аминокислотами. Филогенетический анализ этих последовательностей показал, что они принадлежат к семейству генов B однодольных растений. Исследования in situ гибридизации показали, что обе последовательности экспрессируются в мутовке 1, а также в мутовках 2 и 3. В совокупности эти наблюдения показывают, что механизм развития цветков Agapanthus также следует модифицированной модели ABC.

Гены, проявляющие функцию типа C

В A. thaliana функция C обеспечивается одним геном типа MADS-бокс, называемым AGAMOUS (AG), который участвует как в установлении идентичности тычинок и пестиков, так и в определении цветочной меристемы. У петунии, антирринума и кукурузы функция C контролируется несколькими генами, действующими аналогичным образом. Наиболее близкими гомологами AG у петунии являются pMADS3 и цветочный связывающий белок 6 (FBP6), которые также участвуют в контроле развития пестиков и семязачатков, а также структур, связанных с распространением семян. Появление интересных фенотипов в исследованиях РНК-интерференции у петунии и томатов в 1994 году привело к определению нового типа функции в модели развития цветка. Функция E первоначально считалась вовлеченной только в развитие трех самых внутренних мутовок, однако последующие исследования показали, что ее экспрессия необходима во всех цветочных мутовках.