Введение

Модельный вид растений из семейства Brassicaceae

Arabidopsis thaliana, или гречишка талевая, гречишка мышиный или арабидопсис, – небольшое растение из семейства крестоцветных (Brassicaceae), произрастающее в Евразии и Африке. Обычно встречается по обочинам дорог и на нарушенных землях и, как правило, считается сорняком. Являясь однолетним растением, зимующим в виде розетки листьев, A. thaliana имеет относительно короткий жизненный цикл и широко используется в качестве модельного организма в биологии и генетике растений. Для сложного многоклеточного эукариота A. thaliana обладает относительно небольшим геномом – около 135 мегабаз пар. Это было первое растение, геном которого был полностью секвенирован, и оно является важным инструментом для изучения молекулярной биологии многих признаков растений, включая развитие цветков и восприятие света.

Описание

Arabidopsis thaliana – однолетнее (редко двухлетнее) растение, обычно достигающее 20–25 см в высоту. Корневая система имеет простое строение: один главный корень растет вертикально вниз, а затем образует более мелкие боковые корни. Эти корни вступают во взаимодействие с бактериями ризосферы, такими как Bacillus megaterium. A. thaliana может завершить весь свой жизненный цикл за шесть недель. Центральный стебель, на котором формируются цветы, появляется примерно через 3 недели, а цветы опыляются самостоятельно. В лабораторных условиях A. thaliana можно выращивать в чашках Петри, горшках или с использованием гидропоники, под люминесцентными лампами или в теплице.

Таксономия

Растение было впервые описано в 1577 году в горах Гарц Йоханнесом Талем (1542–1583), врачом из Нордхаузена, Тюрингия, Германия, который назвал его Pilosella siliquosa. В 1753 году Карл Линней переименовал растение в Arabis thaliana в честь Таля. В 1842 году немецкий ботаник Густав Хайнхольд выделил новый род Arabidopsis и поместил растение в этот род. Название рода Arabidopsis происходит от греческого слова, означающего «похожий на Arabis» (род, в который Линней первоначально его поместил). Тысячи природных инбридных линий A. thaliana были собраны по всему его естественному и интродуцированному ареалу. Эти линии демонстрируют значительную генетическую и фенотипическую изменчивость, которую можно использовать для изучения адаптации этого вида к различным условиям среды. Он также встречается в тропических альпийских экосистемах Африки и, возможно, Южной Африки. Он был интродуцирован и натурализовался по всему миру, в том числе в Северной Америке примерно в XVII веке. A. thaliana легко растет и часто является пионером на каменистых, песчаных и известковых почвах. Обычно его считают сорняком из-за его широкого распространения на сельскохозяйственных полях, обочинах дорог, железнодорожных путях, заброшенных территориях и других нарушенных местообитаниях, но из-за его ограниченной конкурентоспособности и небольшого размера он не классифицируется как злостный сорняк. Как и большинство видов семейства Brassicaceae, A. thaliana пригоден в пищу для человека в салатах или в приготовленном виде, но не пользуется широкой популярностью как весенний овощ.

Использование в качестве образцового организма

Ботаники и биологи начали исследовать A. thaliana в начале 1900-х годов, и первое систематическое описание мутантов было сделано около 1945 года. A. thaliana широко используется для изучения наук о растениях, включая генетику, эволюцию, популяционную генетику и развитие растений. Хотя само растение A. thaliana не имеет прямого значения для сельского хозяйства, A. thaliana как модельный организм произвело революцию в нашем понимании генетической, клеточной и молекулярной биологии цветущих растений. Первый мутант в A. thaliana был задокументирован в 1873 году Александром Брауном, описывающим фенотип двойного цветка (мутировавший ген, вероятно, был Agamous, клонирован и охарактеризован в 1990 году). Фридрих Лайбах (опубликовавший число хромосом в 1907 году) не предлагал A. thaliana в качестве модельного организма, однако, до 1943 года. Его ученица, Эрна Рейнхольц, опубликовала свою диссертацию на тему A. thaliana в 1945 году, описывая первую коллекцию мутантов A. thaliana, которые они получили с использованием рентгеновского мутагенеза. Лайбах продолжил свой важный вклад в исследования A. thaliana, собрав большое количество образцов (часто сомнительно называемых "экотипами"). С помощью Альберта Кранца они были организованы в большую коллекцию из 750 природных образцов A. thaliana со всего мира. В 1950-х и 1960-х годах Джон Лэнгридж и Джордж Редей сыграли важную роль в утверждении A. thaliana как полезного организма для биологических лабораторных экспериментов. Редей написал несколько научных обзоров, которые способствовали внедрению этой модели в научное сообщество. Начало исследовательского сообщества A. thaliana связано с информационным бюллетенем под названием Arabidopsis Information Service, созданным в 1964 году. Первая Международная конференция по арабидопсису состоялась в 1965 году в Геттингене, Германия. В 1980-х годах A. thaliana начало широко использоваться в исследовательских лабораториях по всему миру. Оно было одним из нескольких кандидатов, включая кукурузу, петунию и табак.

Генемика

[[Файл:Plastomap of Arabidopsis thaliana.svg|thumb|Карта генома хлоропласта A. thaliana: и пять хромосом. A. thaliana обладает одним из самых маленьких геномов среди растений, но сейчас считается, что это звание принадлежит растениям рода Genlisea, отряда Lamiales, в частности Genlisea tuberosa – плотоядному растению с размером генома около 61 Мбп. Геном A. thaliana был первым геномом растения, который был секвенирован и завершен в 2000 году в рамках инициативы «Геном Арабидопсиса». Наиболее актуальная версия генома A. thaliana поддерживается Информационным ресурсом Arabidopsis. Геном кодирует около 27 600 белкокодирующих генов и примерно 6500 некодирующих генов. Однако база данных Uniprot содержит информацию о 39 342 белках в их референтном протеоме Arabidopsis. Из 27 600 белкокодирующих генов 25 402 (91,8%) в настоящее время аннотированы «значимыми» названиями продуктов, хотя значительная часть этих белков, вероятно, изучена недостаточно хорошо и известна лишь в общих чертах (например, как «ДНК-связывающий белок без известной специфичности»). Uniprot указывает более 3000 белков как «нехарактеризованные» в составе референтной протеомы.

Геномы хлоропластов

Пластом A. thaliana представляет собой молекулу ДНК длиной 154 478 пар оснований, размер, типичный для большинства цветущих растений (см. список секвенированных пластомов). Он содержит 136 генов, кодирующих белки малых субъединиц рибосом (rps, желтым цветом: см. рисунок), белки больших субъединиц рибосом (rpl, оранжевым), гипотетические белки открытых участков чтения хлоропласта (ycf, лимонным), белки, участвующие в фотосинтетических реакциях (зеленым) или в других функциях (красным), рибосомальные РНК (rrn, синим) и транспортные РНК (trn, черным).

Митохондриальный геном

Митохондриальный геном A. thaliana имеет длину 367 808 пар оснований и содержит 57 генов. В митохондриальном геноме Arabidopsis много повторяющихся участков. Наиболее крупные повторы регулярно рекомбинируют и приводят к изомеризации генома. Как и большинство митохондриальных геномов растений, митохондриальный геном Arabidopsis в живых организмах (in vivo) существует в виде сложной организации перекрывающихся разветвленных и линейных молекул.

Генетика

Генетическая трансформация *A. thaliana* является рутинной процедурой, использующей *Agrobacterium tumefaciens* для переноса ДНК в геном растения. Современный протокол, известный как "цветочное погружение", заключается в простом погружении цветков в раствор, содержащий *Agrobacterium*, несущую плазмиду с интересующим геном и моющее средство. Этот метод позволяет избежать необходимости в культуре тканей или регенерации растений. Коллекции нокаутов генов *A. thaliana* представляют собой уникальный ресурс для биологии растений, ставший возможным благодаря наличию высокопроизводительной трансформации и финансированию геномных ресурсов. Установлено место вставки Т-ДНК для более чем 300 000 независимых трансгенных линий, информация и семена которых доступны в онлайн-базах данных Т-ДНК. Благодаря этим коллекциям, инсерционные мутанты доступны для большинства генов *A. thaliana*. Характеризованные акцессии и мутантные линии *A. thaliana* служат экспериментальным материалом в лабораторных исследованиях. Наиболее часто используемыми исходными линиями являются Ler (*Landsberg erecta*) и Col (Columbia). Другие исходные линии, реже упоминаемые в научной литературе, включают Ws (*Wassilewskija*), C24, Cvi (острова Кабо-Верде), Nossen и др. (например). Получены и охарактеризованы наборы тесно связанных акцессий, обозначенных как Col 0, Col 1 и т.д.; в целом, мутантные линии доступны через центры хранения, наиболее известным из которых является Nottingham Arabidopsis Stock Center (NASC). Акцессия Col 0 была отобрана Редеем из популяции семян, обозначенной как "Landsberg", которую он получил из Лайбаха (необлученной). Columbia (названная в честь места расположения бывшего учреждения Редея, Университета Миссури в Колумбии) была референсной акцессией, геном которой был секвенирован в рамках Arabidopsis Genome Initiative. Линия Ler (*Landsberg erecta*) была отобрана Редеем (из-за ее низкорослости) из популяции Landsberg, которую он мутировал с помощью рентгеновских лучей. Поскольку коллекция мутантов Ler происходит от этой исходной линии, Ler 0 не соответствует акцессиям Landsberg, обозначенным как La 0, La 1 и т.д. Формирование трихом инициируется белком GLABROUS1. Нокауты соответствующего гена приводят к образованию растений без трихом (glabrous). Этот фенотип уже использовался в экспериментах по редактированию генов и может представлять интерес в качестве визуального маркера для исследований растений с целью улучшения методов редактирования генов, таких как CRISPR/Cas9.

Спор о неменделевском наследовании

В 2005 году ученые из Университета Пердью предположили, что A. thaliana обладает альтернативным механизмом репарации ДНК, отличным от ранее известных, что приводит к необычной картине наследования. Однако позже было предложено, что наблюдаемое явление – реверсия мутантных копий гена HOTHEAD к дикому типу – является артефактом, поскольку у мутантов наблюдается повышенная кросс-опыление из-за слияния органов.

Жизненный цикл

Маленькие размеры и быстрый жизненный цикл растения также являются преимуществами для исследований. Будучи весенним эфемерным растением, оно использовалось для создания нескольких лабораторных штаммов, жизненный цикл которых составляет около 6 недель от прорастания до созревания семян. Небольшой размер растения удобен для культивирования на ограниченной площади, и оно производит большое количество семян. Более того, способность к самоопылению облегчает проведение генетических экспериментов. Также, поскольку одно растение может производить несколько тысяч семян, каждый из вышеперечисленных факторов делает A. thaliana ценным генетическим модельным организмом.

Клеточная биология

Арабидопсис часто используется в качестве модельного организма для изучения SNARE-белков у растений. Это показало, что SNARE-белки играют важную роль в транспорте везикул. Чжэн и др. (1999) обнаружили, что SNARE-белок Arabidopsis под названием AtVTI1a, вероятно, необходим для транспорта везикул между аппаратом Гольджи и вакуолью. Эта область все еще мало изучена, и роль SNARE-белков растений в транспорте остается недостаточно исследованной.

Ремонт ДНК

ДНК растений уязвима к ультрафиолетовому излучению, и механизмы репарации ДНК эволюционировали, чтобы предотвращать или восстанавливать повреждения генома, вызванные УФ-излучением. Кайзер и соавторы показали, что в A. thaliana циклобутановые пиримидиновые димеры (CPD), индуцированные УФ-светом, могут быть восстановлены посредством экспрессии CPD фотолиазы.

Прорастание в лунном реголите

12 мая 2022 года NASA объявило об успешном прорастании и выращивании образцов Arabidopsis thaliana в образцах лунного реголита. Растения успешно проросли и развились в сеянцы, однако они были менее жизнеспособны, чем контрольная группа, выращенная в вулканическом пепле. При этом эксперименты выявили различия в росте растений в реголите в зависимости от места сбора образцов: A. thaliana, выращенная в реголите, собранном в ходе миссий "Аполлон-12" и "Аполлон-17", оказалась более жизнеспособной, чем растения, выращенные в образцах, полученных во время миссии "Аполлон-11".

Развитие цветов

A. thaliana широко изучается как модель развития цветка. Развивающийся цветок имеет четыре основных органа: чашелистики, лепестки, тычинки и пестики (которые впоследствии формируют столбик пестика). Эти органы расположены в серии из четырех мутовок: внешняя мутовка состоит из четырех чашелистиков, за ней следуют четыре лепестка, шесть тычинок и центральная область пестиков. Гомеотические мутации в A. thaliana приводят к изменению одного органа на другой – например, при мутации agamous тычинки превращаются в лепестки, а пестики заменяются новым цветком, что приводит к рекурсивно повторяющемуся узору из чашелистика, лепестка, лепестка. Модель ABC развития цветка была разработана в ходе изучения A. thaliana. Наблюдения за гомеотическими мутациями привели к формулированию модели ABC развития цветка Э. Коэном и Э. Мейеровицем. Согласно этой модели, гены, определяющие идентичность цветочных органов, делятся на три класса: гены класса А (которые влияют на чашелистики и лепестки), гены класса В (которые влияют на лепестки и тычинки) и гены класса С (которые влияют на тычинки и пестики). Эти гены кодируют факторы транскрипции, которые комбинируются, вызывая спецификацию тканей в соответствующих областях в процессе развития. Хотя эта модель была разработана на основе изучения цветков A. thaliana, она в целом применима и к другим цветковым растениям.

Развитие листьев

Исследования *A. thaliana* предоставили значительные сведения о генетике морфогенеза листьев, особенно у растений типа двудольных. Большая часть понимания была получена в результате анализа мутантов по развитию листьев, некоторые из которых были идентифицированы в 1960-х годах, но не были проанализированы с использованием генетических и молекулярных методов до середины 1990-х годов. Листья *A. thaliana* хорошо подходят для изучения развития листьев, поскольку они относительно просты и стабильны. С использованием *A. thaliana* генетика, лежащая в основе развития формы листьев, стала более понятной и была разделена на три этапа: инициация листового примордия, установление дорсивентральности и развитие краевой меристемы. Листовые примордия инициируются подавлением генов и белков класса I семейства KNOX (таких как SHOOT APICAL MERISTEMLESS). Эти белки класса I KNOX непосредственно подавляют биосинтез гиббереллина в листовом примордии. Было обнаружено, что многие генетические факторы участвуют в подавлении этих генов класса I KNOX в листовых примордиях (таких как ASYMMETRIC LEAVES1, BLADE ON PETIOLE1, SAWTOOTH1 и др.). Таким образом, в результате этого подавления уровни гиббереллина повышаются и листовое примордие начинает расти. Установление дорсивентральности листа важно, поскольку дорсальная (адаксиальная) поверхность листа отличается от вентральной (абаксиальной) поверхности.

Микроскопия

A. thaliana хорошо подходит для анализа с помощью световой микроскопии. Молодые сеянцы в целом, и их корни в частности, относительно прозрачны. Это, в сочетании с их небольшим размером, облегчает визуализацию живых клеток с использованием флуоресцентной и конфокальной лазерной сканирующей микроскопии. При влажном монтировании сеянцев в воду или в культуральную среду можно получать изображения растений неинвазивно, что избавляет от необходимости фиксации и создания срезов и позволяет проводить измерения во времени. Флуоресцентные белковые конструкции могут быть введены посредством трансформации. Стадию развития каждой клетки можно определить по ее расположению в растении или с помощью флуоресцентных белковых маркеров, что позволяет проводить детальный анализ развития.

Светоотбор, светоизлучение и биология циркадного цикла

Фоторецепторы фитохромов A, B, C, D и E опосредуют фототропный отклик на красный свет. Понимание функции этих рецепторов помогло биологам растений разобраться в сигнальных каскадах, регулирующих фотопериодизм, прорастание, деэтиоляцию и избегание затененности у растений. Гены FCA и fy участвуют в фотопериодическом запуске цветения и вернализации. В частности, Lee et al. (1994) обнаружили, что ld кодирует гомеодомен, а Blazquez et al. (2001) – что fve кодирует WD40-повтор. Эти признаки реагируют на синий свет, который воспринимается фототропиновыми световыми рецепторами. Arabidopsis также сыграл важную роль в понимании функций другого рецептора синего света – криптохрома, который особенно важен для световой синхронизации и контроля циркадных ритмов растений. Когда наступление темноты происходит аномально рано, A. thaliana снижает метаболизм крахмала настолько, что это фактически требует деления клеток. Световые отклики были обнаружены даже в корнях, которые ранее считались в основном нечувствительными к свету. Хотя гравитропический отклик корневых органов A. thaliana является их преобладающим тропическим откликом, образцы, обработанные мутагенами и отобранные по отсутствию гравитропизма, продемонстрировали отрицательный фототропизм на синий или белый свет и положительный – на красный свет, что указывает на то, что корни также проявляют положительный фототропизм. В 2000 году доктор Джанет Брам из Университета Райса генетически модифицировала A. thaliana, чтобы она светилась в темноте при прикосновении. Эффект был виден с помощью сверхчувствительных камер. Многочисленные проекты, включая Glowing Plant, направлены на использование A. thaliana для повышения интенсивности люминесценции растений до коммерчески целесообразного уровня.

Тигмоморфогенез (реакция на прикосновение)

В 1990 году Джанет Брам и Рональд У. Дэвис установили, что A. thaliana демонстрирует тигмоморфогенез в ответ на ветер, дождь и касание. Было выявлено, что четыре или более гена, индуцируемых касанием, у A. thaliana регулируются подобными стимулами.

На Луне

2 января 2019 года китайский посадочный аппарат "Чанъэ-4" доставил A. thaliana на Луну. В небольшом микрокосме, представляющем собой "контейнер", внутри посадочного модуля находились A. thaliana, семена картофеля и яйца шелкопряда. Растения должны были обеспечивать шелкопрядов кислородом, а шелкопряды, в свою очередь, – растения необходимым углекислым газом и питательными веществами посредством продуктов жизнедеятельности. Исследователи оценят, смогут ли растения успешно осуществлять фотосинтез, расти и цвести в лунной среде.