Научная статья на тему 'Морфогенез растений и экспрессия основных регуляторных генов на примере развития цветка'

Морфогенез растений и экспрессия основных регуляторных генов на примере развития цветка Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
2420
193
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Экологическая генетика
Scopus
ВАК
RSCI
Область наук
Ключевые слова
МОРФОГЕНЕЗ РАСТЕНИЙ / РАЗВИТИЕ ЦВЕТКА / АВС-МОДЕЛЬ / MADS-ГЕНЫ / SI-РНК / PLANT MORPHOGENESIS / FLOWER DEVELOPMENT / ABC-MODEL / MADS-GENES / SI-RNA

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Лутова Л. А.

Основная концепция генетики развития о дифференциальной экспрессии генов, в соответствии с которой в различных клетках развивающегося организма экспрессируются разные гены, полностью справедлива для высших растений. Однако все высшие растения по сравнению с животными характеризуются целым рядом отличительных черт. Основные из них наличие прочной клеточной стенки, обусловливающей неподвижность организма, поэтому растения в эволюции избрали принципиально иную жизненную стратегию, связанную с адаптацией. Вероятно, именно этим объясняется, что в морфогенезе растений задействовано значительно большее количество регуляторных генов, чем у животных, среди которых главное место занимают MADS-гены. От места и уровня экспрессии этих главных регуляторов развития зависят особенности морфогенеза высших растений. Для некоторых транскрипционных факторов показано, что их экспрессия находится под эпигенетическим контролем. Это означает, что РНК играет ключевую роль в регуляции ключевых генов развития. Кроме того, показано, что small-РНК также играет важную роль в процессе развития, влияя на стабильность транскриптов или трансляцию. В статье на модели развития цветка рассмотрен морфогенез растений, который обеспечивается обилием и разнообразием регуляторных молекул со множеством механизмов, регулирующих их экспрессию.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

General morphogenetic events and regulatory genes expresion in flower development

The main genetics of development conception is differential genes expression for different types of cells in developed organisms. That is correct for higher plants, too. Otherwise, all the higher plants, in comparing to animals, are characterized by some unique traits. The main of them is a strong cell wall leading to the immobility of organism, so plants chose principally different life strategy, connecting to the adaptation. Sequencing of several plant genomes revealed that there are much more genes involved in plant morphogenesis than in animal are. The main of plant morphogenesis genes are MADS-genes, the place and the level of expression of them define unique features of morphogenesis. Some data confirmed that expression of some transcription factors is under epigenetic control. It means that RNA plays a key role in the regulation of the main genes in development. So, the absence of homeosis gene AP2 expression in inner мутовках of develop flower is a result of active miRNA172 gene expression in that regions. The genetic, molecular and biochemical basis of the action of the MADS domain proteins in the plant life cycle are reviewed here. Moreover, in this reviewer, we focus on examples of signaling and gene regulation, where striking progress has been made in recent years.

Текст научной работы на тему «Морфогенез растений и экспрессия основных регуляторных генов на примере развития цветка»

ОБЗОРНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СТАТЬИ

© Л.А. Л утова МОРФОГЕНЕЗ РАСТЕНИЙ И ЭКСПРЕССИЯ

ОСНОВНЫХ РЕГУЛЯТОРНЫХ ГЕНОВ

Г0сударственный университет, НА ПРИМЕРЕ РАЗВИТИЯ ЦВЕТКА*

кафедра генетики и селекции:

Санкт-Петербург

^ Основная концепция генетики развития о дифференциальной экспрессии генов, в соответствии с которой в различных клетках развивающегося организма экспрессируются разные гены, полностью справедлива для высших растений. Однако все высшие растения по сравнению с животными характеризуются целым рядом отличительных черт. Основные из них— наличие прочной клеточной стенки, обусловливающей неподвижность организма, поэтому растения в эволюции избрали принципиально иную жизненную стратегию, связанную с адаптацией. Вероятно, именно этим объясняется, что в морфогенезе растений задействовано значительно большее количество регуляторных генов, чем у животных, среди которых главное место занимают MADS-гены. От места и уровня экспрессии этих главных регуляторов развития зависят особенности морфогенеза высших растений. Для некоторых транскрипционных факторов показано, что их экспрессия находится под эпигенетическим контролем. Это означает, что РНК играет ключевую роль в регуляции ключевых генов развития. Кроме того, показано, что small-РНК также играет важную роль в процессе развития, влияя на стабильность транскрип-тов или трансляцию. В статье на модели развития цветка рассмотрен морфогенез растений, который обеспечивается обилием и разнообразием регуляторных молекул со множеством механизмов, регулирующих их экспрессию.

^ Ключевые слова: морфогенез растений; развитие цветка; АВС-модель; МАПБ-гены; эьРНК

ВВЕДЕНИЕ

Генетика развития является одной из современных областей исследования, лежащей на стыке морфологии, физиологии, эмбриологии, генетики, молекулярной биологии и генной инженерии. Растения оказались в поле зрения генетики развития позже, чем животные. Поэтому для изучения развития растений были заимствованы подходы и некоторые методы, разработанные для животных объектов. Кроме того, были использованы и современные молекулярно-генетические методы, в том числе и специфичные для растительных объектов.

Процесс дифференцировки у растений можно исследовать в различных аспектах:

1. Дифференцировку можно изучать по ее результатам, отраженным в строении взрослого растения. Различают внешнюю и внутреннюю дифференцировку. Под внешней дифференцировкой понимают внешнее строение вегетативных и генеративных органов растения. При этом, внешняя дифференцировка является отражением внутренней дифференцировки, затрагивающей структуру отдельных клеток или систем тканей растения.

2. Можно исследовать динамику процессов дифференцировки в ходе онтогенеза.

3. Важным подходом к изучению механизма регуляции дифференцировки является исследование влияния факторов окружающей среды, контролирующих скорость и направление различных морфогенетических процессов.

4. Глубокое понимание процессов дифференцировки требует подробного изучения молекулярно-физиологических изменений, происходящих как в целом организме, так и в его отдельных клетках.

5. Выявление и детальный генетический анализ форм, проявляющих те или иные нарушения дифференцировки, позволяет идентифицировать и охарактеризовать гены, контролирующие различные морфогенетические процессы. Привлечение данных о мутантах с поврежденными программами развития — мутантов развития — позволили воссоздать картину эмбриогенеза у животных. С помощью мутаций удается прервать или модифицировать процесс развития, оставив неизменными другие функции организма. По анализу мутантов или генетических химер можно судить о взаимосвязях поврежденных морфогенетических программ.

Безусловно, составление целостной картины о механизмах дифференцировки возможно лишь при объединении всех пяти перечисленных подходов [2].

Для того чтобы получить исходный материал — мутантов по дифферен-цировке, традиционно используют два пути. Один из них предусматривает специальную мутагенную обработку нормальных растений с последующим

* — по материалам пленарного доклада на школе по экологической генетике 07.06.2005

отбором мутантных форм, характеризующихся измененным морфогенезом. Второй путь предполагает выявление природных форм, различающихся проявлением тех или иных морфогенетических процессов.

Если у большинства животных органогенез охватывает сравнительно небольшой отрезок времени, то у растений органогенез продолжается на протяжении всей жизни. В отличие от животных число органов растения слабо детерминировано. Чтобы применить к растениям подходы, разработанные генетикой развития животных, необходим модельный процесс, который жестко детерминирован во времени и в пространстве.

Одной из наиболее удобных моделей для изучения морфогенетических процессов у растения является цветок. Это связано с тем, что, несмотря на относительно короткий период своего развития, цветок содержит большое количество разнообразных структур. Кроме того, огромное внимание, уделяемое дифференцировке различных органов цветка, обусловлено тем, что в процессе их развития происходит чередование гаметофит-ного и спорофитного поколений, характеризующих специфику жизненного цикла покрытосеменных растений. Цветок — важнейшая репродуктивная структура покрытосеменных, с непосредственным участием которой происходит микро- и мегаспорогенез, опыление и оплодотворение, развитие зародыша, и, в конечном счете, — образование семян и плодов.

Модельным объектом, широко используемым в генетике развития цветка, является однолетнее крестоцветное растение арабидопсис (ЛгаЬ1йорз1з ШаНапа Ь.). Цветок арабидопсиса, как и многие другие представители семейства крестоцветных, характеризуется акти-номорфной структурой и содержит 4 чашелистика, 4 лепестка, 6 тычинок (4 длинных и 2 коротких), а также 1 пестик, образованный двумя сросшимися плодолистиками. Закладка этих органов происходит в строго определенном порядке. Сначала формируются чашелистики и зачатки первых лепестков. Молодые лепестки останавливаются в своем развитии до тех пор, пока не тронутся в рост зачатки гинецея. Лишь после этого начинают развиваться тычинки: сначала длинные (то есть внутренние), а затем короткие (внешние).

Цветок представляет собой видоизмененный одноосный побег с ограниченным ростом, предназначенный для полового (генеративного) размножения. Развитие цветка проходит через несколько стадий, которые в случае арабидопсиса состоят в следующем [12]:

— формирование вегетативной апикальной меристемы побега;

— превращение вегетативной апикальной меристемы в генеративную (меристему соцветия);

— формирование меристем отдельных цветков (фло-ральных меристем);

— закладка отдельных органов цветка.

Изучение генетического контроля развития растения и особенно цветка стало возможным в результате широкомасштабных работ по получению и детальному изучению мутантов, дефектных по различным этапам реализации генеративных программ. В первую очередь, подобные работы проводятся на арабидопси-се и львином зеве — модельных объектах генетики растений. Несмотря на таксономическую удаленность этих видов, общая схема генетического контроля развития цветка оказалась у них одинаковой, а многие гены, вовлеченные в этот контроль — гомологичными [16, 17, 45]. В последние годы сходные результаты накапливаются и для многих других видов двудольных и однодольных, что свидетельствует о высокой эволюционной консервативности механизмов генетического контроля развития цветка.

РЕГУЛЯЦИЯ ОСНОВНЫХ ГЕНОВ, ЗАПУСКАЮЩИХ ПРОГРАММУ ЦВЕТЕНИЯ

Запуск программ цветения обеспечивает превращение вегетативной меристемы в генеративную и регулируется разнообразными факторами как экзогенной, так и эндогенной природы. К факторам внешней среды, оказывающим существенное влияние на флоральную индукцию у арабидопсиса, относятся длина светового дня, температурные условия и гиббереллин. Длинный световой день (более 14—16 часов) способствует раннему переходу к цветению, в то время, как короткий (8—10 часов) — задерживает флоральную индукцию. Раннему цветению способствует и кратковременная обработка проростков низкой температурой (вернализа-ция). Получен целый ряд мутантов с измененной реакцией на перечисленные факторы внешней среды. Некоторые из этих мутантов (fca, fd, fe, fha, flc, fpa, ft, fve, fwa, fy и др.) нечувствительны к длинному световому дню и низкой температуре, в то время как другие (elfl, elf2, elf3, emfl, emf2, spy, tfl и др.), напротив, способны к быстрому зацветанию независимо от продолжительности светового дня [43].

Раннее цветение обеспечивается мутациями в генах EARLY FLOWERING (ELF1, 2, 3), EMBRYONIC FLOWER (EMF 1, 2), а также TERMINAL FLOWER (TFL). К более позднему цветению приводят мутации в генах СО, FCA, FD, FLA, FE, FPA, FRI, FT, FVE, FY, GI, LD, GAI.

Для мутантов emfl и emf2 (embryonic flower) характерно формирование единственного цветка почти сразу после прорастания семян. Судя по тому, что у этих мутантов пропущена почти вся вегетативная стадия развития, нормальный продукт гена EMF необходим для задержки генеративных программ, в результате чего растение успевает пройти достаточно продолжительную вегетативную стадию. Предложена модель, описываю-

дикий тип leafy leafy apetala 1 terminal flower

Рис 1. Схематическое изображение растений Arabidopsis thaliana дикого типа и мутантных по генам идентичности флоральной меристемы (стрелками обозначена меристема соцветия, светлыми кружками — нормальные цветки, темными кружками — аномальные цветки)

щая переход к цветению, центральную роль в которой играет репрессор, блокирующий переключение от вегетативной стадии развития к генеративной. Кандидатами на роль репрессора являются гены EMF1 и EMF2. Ген EMF2 относится к транскрипционным факторам, и кодируемый им белок имеет домен типа «цинковые пальцы». По своей структуре белок гомологичен белку гена FIS2 (fertilization independ seed), который отнесен к семейству polycomb генов. Функция белка, кодируемого геном EMF1, неизвестна, но согласно его структуре он отнесен также к транскрипционным факторам и участвует в формировании polycomb системы. Таким образом, гены EMF1 и EMF2 играют центральную роль при переходе к цветению. Другие гены, входящие в систему FTG (flower time genes), формируют генную сеть, усиливая или ослабляя эффект основного репрессора. У мутантов emf в проростках эктопически экспрессируются гены AP1 и AG, что указывает на их роль как негативных регуляторов

более поздних генов цветения [26]. Мутации tfll (terminal flower), также приводят к более раннему формированию генеративной меристемы, что приводит к резкому сокращению вегетативной фазы (рис. 1).

Все гены, участвующие в программе перехода к цветению, разделены на три группы. Основная группа генов относится к автономному пути перехода к цветению, среди которой ген FLC (flowering locus C) является главным. Этот ген отнесен к транскрипционным факторам, содержащим MADS-домен. Ген FLC имеет крупный интрон длиной 3,5 kb, который является cis-регуляторным элементом. Основная функция этого гена — репрессия цветения, он является основным антагонистом генов, контролирующих переход к цветению. В регуляции экспрессии гена FLC участвуют несколько генов и используются различные механизмы (рис. 2). Так, гены FCA, FLK, FPA и FY регулируют экспрессию гена FLC через РНК-процессинг, а гены FLD и FVE — через формирование гистон-диацитилазного комплекса. Экспрессия гена FLC — это дозозависимый процесс, регулируемый длиной дня и гиббереллином [39]. Таким образом, продолжительная вегетативная стадия развития обеспечивается у растений за счет активного подавления генеративных программ. Внешние факторы — длинный световой день, кратковременные воздействия низкой температуры и гормоны — способны ослаблять это подавление, тем самым способствуя более раннему цветению.

В целом, около 40 генов вовлечено в запуск программы цветения. Важную роль при переходе к цветению играют молекулы РНК. РНК-зависимый контроль генной экспрессии при переходе к цветению осуществляется как на посттранскрипционном уровне, регулируя

гиббереллины

FT

ACL20

длина светового дня

созревание РНК

1 1 1

I^S Локус цветения С і—т

т

деацетилирование гистонов

Рис 2. Схема регуляции перехода к цветению у арабидопсиса

стабильность транскриптов, так и на транскрипционном — за счет модификации структуры хроматина или метилирования ДНК [39].

ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ, КОНТРОЛИРУЮЩИХ ФОРМИРОВАНИЕ МЕРИСТЕМЫ ЦВЕТКА

Формирование меристемы отдельного цветка представляет собой очередное изменение функционального типа меристемы. В данном случае меристема соцветия преобразуется в меристему цветка (флоральную меристему). По сравнению с запуском программ цветения, формирование флоральной меристемы в гораздо меньшей степени зависит от факторов внешней среды и более жестко контролируется генотипом растения. У ара-бидопсиса и львиного зева получен ряд мутантов, дефектных по образованию меристемы цветка вплоть до ее полного отсутствия. Генетический анализ этих мутантов позволил идентифицировать конкретные гены, контролирующие формирование флоральной меристемы.

Мутанты lfy (leafy) (см. рис. 1), неспособны формировать нормальные меристемы цветков, вместо которых закладываются вторичные меристемы соцветий [17]. Следует отметить, что в норме вторичные соцветия возникают у арабидопсиса только в самой нижней (наиболее рано формирующейся) части соцветия. При этом у мутантов lfy образование флоральных меристем оказывается сдвинутым на верхние (более поздно формирующиеся) зоны соцветия, причем закладывающиеся цветки сохраняют целый ряд признаков, присущих соцветию: развиваются прицветные листья, отсутствующие у цветков дикого типа, но имеющиеся у соцветий; органы цветка располагаются в спиральной последовательности; расстояние между органами в цветке оказывается значительно большим, нежели в нормальных цветках. Экспрессия гена LFY наблюдается в АМ (апикальной меристеме) при формировании листовых при-мордиев и усиливается с возрастом растений. Предполагается, что достижение порогового уровня экспрессии гена LFY является тем критическим фактором, который обеспечивает переключение АМ растений с процесса формирования примордиев листьев на процесс формирования флоральных примордиев. Важная роль гена LFY в образовании флоральных примордиев была подтверждена и в экспериментах с трансгенными растениями A. thaliana, в которых ген LFY конститутивно экспрессируется под контролем активного промотора гена 35S вируса мозаики цветной капусты. Формирование цветов у трансгенных растений наблюдали значительно раньше и в тех участках, где у растений дикого типа обычно формировались стеблевые листья с пазушными почками. Интересно, что эктопическая экспрессия гена LFY из A. thaliana в трансгенных (35S::LFY) растениях осины (Populus tremula x tremuloides) также

вызывала значительное ускорение цветения (у семимесячных трансгенных растений), в то время как в норме цветение начинается только в возрасте 8 лет [1].

Достаточно сходные проявления свойственны мутациям apl. Так, у растений, гомозиготных по мутантной аллели ap1 — 1 (см. рис. 1), образующиеся цветки содержат вторичные цветочные меристемы, закладывающиеся в пазухах чашелистиков. Внутри этих вторичных цветков могут аналогично развиваться третичные цветочные меристемы.

Судя по фенотипу двойных мутантов lfy apl (полное превращение соцветий в вегетативные побеги) (см. рис. 1), продукты соответствующих генов контролируют параллельные перекрывающиеся пути, ведущие к формированию флоральной меристемы. Аналогичные результаты получены и для мутаций flo (floricaula) и squa (squamosa) у львиного зева.

Гены LFY и AP1 арабидопсиса, а также FLO и SQUA львиного зева были клонированы и секвенированы [17, 44]. Результаты молекулярно-генетического анализа показали, что гены FLO и LFY кодируют гомологичные белки с пролин-богатыми участками, характерными для транскрипционных факторов. Представления о том, что продукт гена LFY является регулятором транскрипции, косвенно подтверждаются данными о внутриядерной локализации этого белка [45]. Результаты анализа генов AP1 и SQUA подтвердили их гомологичность друг другу, а также позволили отнести их к широко известному у многих организмов семейству транскрипционных факторов MADS. Кроме того, было показано, что все четыре гена экспрессируются на самых ранних стадиях развития флоральной меристемы, что согласуется с предполагаемой ролью их продуктов в качестве факторов, определяющих развитие меристемы цветка [44].

В противоположность рассмотренным выше генам, кодирующим позитивные регуляторы формирования флоральной меристемы, продукт гена TFLl (TERMINAL FLOWER 1) кроме регуляции фазы перехода к цветению также подавляет превращение меристемы соцветия в меристемы цветков. Действительно, мутанты по этому гену образуют небольшое соцветие всего с несколькими цветками, заканчивающееся терминально расположенным цветком (см. рис. 1). При этом вторичные меристемы соцветий не образуются совсем, а терминальный цветок состоит из двух или трех неполных цветков. Таким образом, у мутантов tfl-вторичные меристемы соцветий, в норме закладывающиеся у растений дикого типа, оказываются замещенными на меристемы отдельных цветков. Первичная меристема соцветия претерпевает у этих мутантов превращение в две-три близко расположенные флоральные меристемы, в то время как в норме у этого вида первичная меристема соцветия потенциально неограниченна в своем росте и никогда не преобразуется во флоральную.

Продукт гена ТРЬ1 вероятно является антагонистом продуктов генов ЬРУ и АР1 и способен подавлять их активность в первичной меристеме соцветия. В соответствии с этим, проявление мутаций 1/11 связано с расширением зон активности, свойственных генам LFY и АР1 [9, 42, 44]. Одной из главных функций генов LFY и АР1 является инициация транскрипции основных генов, которые контролируют формирование органов цветка [25].

ЭКСПРЕССИЯ ГЕНОВ, КОНТРОЛИРУЮЩИХ ФОРМИРОВАНИЕ ОРГАНОВ ЦВЕТКА

Флоральная меристема арабидопсиса, как и многих других видов цветковых растений, формирует 4 типа органов, для которых характерно круговое расположение в цветке. При этом взаимное расположение кругов, образованных органами каждого типа, остается всегда неизменным: первый (внешний) круг занят чашелистиками, второй — лепестками, третий — тычинками и, наконец, четвертый (центральный) круг занят плодолистиками. Вместе с тем, получен ряд мутантных форм с нарушенной последовательностью расположения этих кругов в цветке (рис. 3). Характерной особенностью таких мутантных форм были нарушения сразу в двух соседних кругах.

Особый интерес среди всех перечисленных выше генов вызывают гомеозисные гены АР1, АР2, АР3, Р1 и AG. Мутации в этих генах приводит к замене одних структур цветка на другие [6, 7]. Так, у мутантов по генам APETALA 1 и 2 (АР1 и АР2) происходит замена чашелистиков на плодолистикоподобные структуры, а

WT

apetala2

pistillata

agamous

лепестков — на тычинки, в результате чего расположение органов в цветках у мутантов ар1/ар2 оказывается следующим: плодолистики—тычинки—тычин-ки—плодолистики. Мутации в гене ЛРЕТЛЬЛ 3 (АР3) вызывают превращение лепестков в чашелистики, а тычинок — в плодолистики. К тому же эффекту приводят и мутации в гене РІБТІЬЛТЛ (РІ). Поэтому цветки у мутантов ар3 и рі имеют следующее расположение органов:

чашелистики—чашелистики—плодолистики—плодо-листики [6, 7]. В случае мутации в гене AGAMOUS (AG) происходит превращение тычинок в лепестки, а плодолистиков — в чашелистики. Кроме того, мутанты по гену AG характеризуются недетерминированным развитием цветочной меристемы. Поэтому цветок у мутантов ац содержит многократно повторяющиеся последовательности органов: — чашелистики—лепестки—ле-пестки—чашелистики.

В 1991 году перечисленные выше данные были обобщены в рабочую гипотезу, объясняющую взаимодействие гомеозисных генов цветка. Данная гипотеза получила название «АВС» модели или теории «войны кругов» [17] (рис. 4):

1. В ходе своего развития меристема цветка подразделяется на 4 концентрических участка, условно называемых «кругами» и номеруемых с первого по четвертый по направлению от периферии к центру цветка.

2. В различных кругах экспрессируются три типа активностей: активность А — в І и ІІ круге, активность В — во П и III круге и активность С — в III и IV круге. При этом активности А и С являются антагонистами и взаимно подавляют экспрессию друг друга.

3. Судьба каждого отдельного зачатка в цветке определяется комбинацией активностей, экспрессируемых в соответствующем круге. При этом активность А приводит к появлению чашелистиков, взаимодействие активностей А и В — к образованию лепестков, взаимодей-

круг 1

2 3

/ В

А Н н с

орган Ч

A. thaliana A. majus

A API, AP2 SQUA, FIM

B AP3, PI DEF, GLO

C AG PLE

перекрывание доменов экспрессии гомеозисных генов в примордии цветка

Рис 3. Цветки растений АгаЫйор$1$ 1На11ана, мутантных по генам идентичности органов цветка

Рис 4. АВС-модель развития органов цветка

4

Л

Т

П

ствие активностей В и С — к формированию тычинок, а активность С — к возникновению плодолистиков.

В соответствии с этой схемой, дефектность по активности А приводит к тому, что активность С начинает экспрессироваться во всех четырех кругах. Таким образом, локализация активностей во флоральной меристеме будет следующей: С ВС ВС С, что приводит к формированию цветка, содержащего: плодолистики— тычинки—тычинки—плодолистики. Такой цветок полностью лишен лепестков (petals), что и послужило названием соответствующим генам: APETALA 1 и 2 (AP1 и АР2) — безлепестковый. Мутации, затрагивающие активность В, приводят к следующему распределению активностей в меристеме цветка: А А С С. Эта схема развития обеспечивает формирование цветков, у которых полностью отсутствуют лепестки и тычинки, а вместо них имеются дополнительные круги чашелистиков и плодолистиков. Как оказалось, такие растения, содержащие в своих цветках чашелистики-чашелистики— плодолистики-плодолистики, могут возникать за счет мутации в двух генах, получивших название APETALA 3 (АР3-безлепестковый) и PISTILLATA (PI — многопестичный). Мутации, нарушающие активность С, приводят к тому, что антагонистическая активность А (продукт гена АР2) присутствует во всех четырех кругах. Таким образом, соответствующие мутанты характеризуются следующим типом флоральной меристемы: А АВ АВ А (чашелистики—лепестки—лепестки—чашелисти-ки). Подобные мутанты полностью лишены собственно генеративных структур цветка (тычинок и плодолистиков), что позволило назвать соответствующий ген AGAMOUS (AG) — бесполый. Следует отметить, что мутанты ag характеризуются недетерминированным развитием флоральной меристемы, а потому содержат в своих цветках многократно повторенные круги чашелистиков и лепестков.

Гипотеза «АВС» хорошо согласуется и с фенотипами множественных мутантов. Так, двойным мутантам ар2 арЗ/pi (С С С С) свойственны цветки, состоящие из одних плодолистиков. Недетерминированные цветки двойных мутантов арЗ/pi ag (А А А А) содержат только чашелистики. Двойные мутанты ар2 ag (-В В-) несут недетерминированные цветки, содержащие листоподобные образования, а также уродливые структуры, одновременно напоминающие и лепестки, и тычинки.

Наконец, тройные мутанты ар2 арЗ/pi ag (---------)

характеризуются превращением цветков в недетерминированные аналоги вегетативных меристем со спиральным расположением типичных листоподобных структур. Этот факт убедительно свидетельствует о том, что цветок действительно представляет собой модифицированный побег.

Впоследствии модель АВС была несколько модифицирована с учетом новых данных о генах идентичности орга-

нов цветка и взаимодействии их продуктов. Так, выявлен дополнительный компонент активности А, кодируемый геном APl, причем его экспрессия в кругах 3 и 4 негативно регулируется геном AG. В то же время сам ген AG негативно регулируется продуктом гена АР2, который подавляет его экспрессию в кругах 1 и 2. В 1995 году к модели АВС была добавлена функция D. Активность генов D обеспечивает развитие завязи, а их сверхэкспрессия приводит к формированию завязи в 1-м и 2-м кругах. В мутантных, затрагивающих D активность, вместо завязи формируются плодолистики. К генам с функцией D у арабидопсиса отнесены SHP (SHATTER PROOF) и K (SEEDSTICK). В 2002 году к традиционной модели АВС была также добавлена функция E. У арабидопсиса это ген SEP (SEPALLATA), который выполняет роль кофактора и контролирует идентичность трех внутренних кругов.

Фенотипы, мутантов по генам АР2, АРЗ, PI и AG свидетельствуют о том, что продукты этих генов выполняют целый ряд функций: во-первых, все они принимают участие в определении идентичности органов цветка; во-вторых, измененное количество закладываемых органов в цветках у мутантов ар2 и ag (два плодолистика вместо четырех чашелистиков и шесть тычинок вместо четырех лепестков в случае ар2 и обратное соотношение в случае ag) свидетельствует о влиянии этих генов на инициацию зачатков органов цветка; в-третьих, еще одной функцией продукта гена ag является установление детерминированного типа развития флоральной меристемы.

В последние годы появилось много фактов, указывающих на роль miRNA в развитии растений, в том числе участвующих в регуляции экспрессии основных генов, контролирующих развитие цветка [39]. Предложена модель, иллюстрирующая участие miRNA в дифференци-ровке клеток растений [34]. Согласно этой модели, miRNAs могут являться своеобразными «переключателями» программы развития клетки. В одной из дочерних клеток синтезируются miRNA, которые опосредуют разрезание соответствующих мРНК, что переопределяет судьбу данной клеточной линии.

Большинство генов, экспрессия которых регулируется miRNA, кодируют транскрипционные факторы, контролирующие развитие растений [3, 5, 27, 34, 39]. miRNAs играют важную роль в различных морфогенетических процессах:

— развитие листа: miR164 (CUC1, CUC2);

miR165 (PHABULOSA, PHAVOLUTA, REVOLUTA); miRNA-JAW (TC2-4, TCP10, TCP24);

— развитие цветка:

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

miR172 (регулируют экспрессию гена АР2 и АР2-подобные транскрипционные факторы); miRNA ЕАТ (регулирует ген ТОЕ);

— развитие корня:

miR170, miR171 (GRAS транскрипционные факторы); miR164 (NAC1).

Кроме того, регуляция экспрессии генов DCL и AGO, кодирующих белки, задействованные в метаболизме самих miRNAs, также осуществляется с помощью miRNAs (miR162 и miR168 соответственно) [3, 4, 22, 41].

Мишенями действия miR160 и miR167 являются транскрипты генов ARFs (auxin response factors), транскрипционных факторов, опосредующих ответ клетки на действие гормона ауксина, играющего ключевую роль в развитии растений.

Примером miRNAs, регулирующих экспрессию генов растений, является miR-JAW, взаимодействующая с транскриптами ТСР-генов, контролирующих развитие листа [30, 35]. Мутация jaw-D получена с помощью Т-ДНК инсерционного мутагенеза: у мутантов jaw-D повышенный уровень экспрессии miR-JAW (ген попал под сильный промотор), что приводит к деградации транскриптов генов ТСР. У таких мутантов сморщенные листья, что фенотипически напоминает мутацию по ТСР-генам.

Другой пример регуляции экспрессии гена с участием miRNAs — влияние miR172 на экспрессию гена АР2 [2, 11]. Этот ген участвует в формировании цветка, он работает в двух внешних кругах цветочной меристемы. У мутантов по гену АР2 отсутствуют чашелистики и лепестки. Фенотип трансгенных растений 35S::MIR172a-1 повторяет фенотипическое проявление мутации ap2 — 9 [11]. MiR172 связывается с практически полностью комплементарным ей участком транскрипта АР2 и ингибирует трансляцию АР2 и АР2-подобных транскриптов. Этот случай является своего рода исключением, поскольку у растений miRNAs в основном опосредуют деградацию мРНК. мРНК АР2 образуется во всех кругах меристемы цветка, но белок АР2 — только в двух внешних кругах (зачатки чашелистиков и лепестков), так как во внутренних кругах локализуется miR172, опосредующая репрессию трансляции АР2 [39].

Характерно, что активность генов идентичности органов цветка регулируется с помощью генов LFY и API [45], которые экспрессируются не только при инициации флоральнои меристемы, но и в течение развития цветка [42, 44]. В частности, продукты генов LFY и API активируют экспрессию генов АР3 и PI и регулируют характер экспрессии гена AG. Таким образом, процессы инициации флоральной меристемы и установления идентичности органов цветка оказываются тесно связанными.

Как уже было отмечено, продукт гена AGAMOUS является ключевой молекулой, контролирующей развитие собственно репродуктивных органов цветка (тычинок и плодолистиков). Вместе с тем, этот же ген обеспечивает детерминированный тип развития фло-

ральной меристемы. Судя по тому, что у всех известных мутантов ag наблюдается одновременное нарушение обеих функций, соответствующие активные центры молекулы либо перекрываются, либо неспособны к нормальному функционированию поодиночке. Вместе с тем, при трансформации нормальных растений арабидопсиса антисмысловыми копиями гена AG, подсоединенными к сильному конститутивному промотору 35S-CaMV, удалось получить трансгенные растения трех типов:

• трансформанты I типа, полностью сходные с мутантами ag;

• трансформанты II типа, образующие недетерминированные цветки с лишь частично измененными репродуктивными органами;

• трансформанты III типа, формирующие недетерминированные цветки с нормально развитыми тычинками и плодолистиками. Такие цветки образуют внутри своей завязи новые круги тычинок и плодолистиков, а потому были названы «матрешками».

Таким образом, разделение двух функций белка AG принципиально возможно и требует определенного уровня его экспрессии. При таком уровне экспрессии количество молекул AG, по-видимому, оказывается вполне достаточным для нормального развития репродуктивных органов, но недостаточным для детерминации флоральной меристемы.

Ген AG так же, как и ген FLC, имеет большой инт-рон длиной в 3 kb. Его экспрессия регулируется эпигенетически и зависит от факторов, обеспечивающих процессинг РНК. Уже выявлено по крайней мере 4 гена (HUA1, HUA2, HEN2 (NUA ENHANCER) и HEN4), которые контролируют процессинг РНК гена AG [38].

Ген AG является одним из представителей целого семейства генов, кодирующих AG-подобные транскрипционные факторы. Эти гены получили название AGL (от AGAMOUS-like), в настоящее время у арабидопсиса описано более 20 AGL-генов. Среди них достаточно подробно охарактеризованы шесть генов. Поскольку их транскрипция осуществляется в апикальной меристеме после ее дифференцировки во флоральную, соответствующие белки, вероятно, также являются компонентами регуляторного каскада. Действительно, ген AGL5 содержит в своей промоторной области участок специфического узнавания для MADS-белков и не экспрессируется у мутантов ag. Напротив, транскрипция гена AGL6 у тех же мутантов оказывается повышенной. Таким образом, белок гена AG способен прямо или косвенно влиять на транскрипцию других MADS-генов. С другой стороны, экспрессия гена AGL 14 осуществляется задолго до начала транскрипции гена AG.

С некоторыми белками семейства генов AGL продукт гена AG, по-видимому, может вступать в образование

димеров. Такой вывод сделан на основании результатов, полученных с использованием дрожжевой дигибридной системы. Оказалось, что К-домен белка гена AG способен вступать в эффективное взаимодействие с К-доме-нами продуктов генов AGL2, AGL4, AGL6 и AGL9. Таким образом, вполне вероятно, что белок гена AG в норме образует не только гомодимерные комплексы, но и различные типы гетеродимеров.

ДРУГИЕ ГЕНЫ, УЧАСТВУЮЩИЕ В ФОРМИРОВАНИИ ЦВЕТКА

Для успешной терминации флоральной меристемы необходима активность, по крайней мере, еще нескольких генов (AG, FON, CLV и SUP), выявленных в результате анализа мутантных форм арабидопсиса.

Гены CLAVATA, SUPERMAN и FLORAL ORGAN NUMBER регулируют количество закладывающихся в цветке зачатков, а также детерминированность флоральной меристемы.

Описано несколько генов CLAVATA (CLV1, CLV2 и CLV3), мутации в которых обладают сходным фенотипическим проявлением [12, 13, 14, 25]. Особенно полно проанализированы мутанты с нарушениями в генах CLVI и CLV3. Такие растения характеризуются увеличенными размерами всех типов апикальных меристем побега: вегетативной, меристемы соцветия и меристемы цветка. Увеличенная апикальная меристема содержит большее количество активно делящихся недифференцированных клеток, что приводит к образованию на ней большего количества цветков (в случае меристемы соцветия) или отдельных органов цветка (в случае меристемы цветка). Мутантный фенотип clvl проявляется в развитии дополнительных плодолистиков внутри завязи. Однако даже в случае наиболее четко проявляющихся мутантных аллелей (clvl-l и civl-4) рост и развитие дополнительных плодолистиков ограничены и не приводят к разрыву стенок завязи [12]. В целом размер апикальной меристемы поддерживается активностью двух основных генов WUS и CLV. Если функция гена WUS сводится к поддержанию деления стволовых клеток, то продукты семейства генов CLV подавляют деление клеток и активируют их переход к дифференциров-ке. Контроль за этим процессом осуществляется по механизму обратной негативной регуляции. Продуктом гена CLV3 является экстраклеточный белок, способный к секреции. Секретируясь, продукт гена CLV3 образует комплекс с гетеродимерным белком, который образуется из двух белков, кодируемых генами CLV1 и CLV2. Таким образом, продукт гена CLV3 является сигнальной молекулой, а продукты генов CLV1 и CLV2 образуют рецепторный комплекс. Сформировавшийся комплекс как результат экспрессии генов семейства CLV ограничивает (подавляет) экспрессию гена WUS. С другой

стороны, исходя из механизма обратной негативной регуляции, ген WUS сам контролирует экспрессию гена CLV3, способствуя формированию CLV-комплекса. Ген CLV1 контролирует синтез типичной трансмембранной протеинкиназы [10, 40]. Итак, мутации в генах CLV приводят к увеличению числа органов цветка и замедленной терминации флоральной меристемы за счет увеличенных размеров самой меристемы.

Другим механизмом увеличения числа органов цветка и установления недетерминированного развития флоральной меристемы является пролонгация активности меристемы, приводящая к продолжению функционирования меристемы после формирования примордиев первых трех кругов органа цветка. По такому принципу происходит увеличение количества органов цветка у растений, мутантных по гену FON (FLORAL ORGAN NUMBER) [28]. В цветках таких растений увеличено количество только тычинок и плодолистиков.

Анализ двойных мутантов по генам CLV1 и FON показал, что эти гены контролируют развитие флоральной меристемы, используя разные пути. Действительно, двойные мутанты clvl fonl и clv3 fonl характеризуются более выраженными нарушениями в детерминированности флоральной меристемы и увеличением числа органов цветка, чем одиночные мутанты по этим генам. Так, в цветках двойных мутантов развивается значительно большее количество тычинок и плодолистиков, чем в цветках одиночных мутантов по генам CLV1 или FON. В то же время, у двойных мутантов clvl-4 fonl-l наблюдается гораздо более интенсивный рост и развитие дополнительных плодолистиков внутри завязи, чем у одиночных мутантов clvl-4. В отдельных цветках внутренние плодолистики прорывают стенку завязи и полностью развиваются в дополнительные пестики. У двойных мутантов генотипа clv3-2 fonl-l в некоторых наиболее поздних цветках клетки флораль-ной меристемы продолжают делиться после образования органов цветка, образуя внутри завязи не дополнительные плодолистики, а массу недифференцированных клеток.

Таким образом, активность генов CLV1 и FON необходима для успешной терминации флоральной меристемы, причем эти гены используют независимые пути контроля развития меристемы и различные механизмы ограничения ее активности.

К генам, контролирующим количество органов в цветке, относится и ген SUPERMAN (SUP) [36, 8]. Мутантный фенотип sup проявляется в формировании нескольких кругов тычинок, количество которых варьирует от 8 до 26 [8]. Наиболее четко проявляющиеся мутантные аллели, такие как sup-l, демонстрируют значительное увеличение числа тычинок в цветке, сопровождающееся обычно потерей плодолистиков. Как показал анализ двойных мутантов sup ар3 и sup pi, продукт гена

SUP негативно регулирует экспрессию генов АР3 и PI в четвертом круге органов цветка. В соответствии с этим, мутантный фенотип связан с распространением экспрессии генов АР3 и PI, в норме экспрессирующихся только во втором и третьем круге, и на четвертый круг. Ген SUP не определяет идентичность органов цветка во втором и третьем круге, его активность важна на более поздних этапах для поддержания границы между этими кругами [36]. В то же время, образование на флоральной меристеме нескольких дополнительных кругов, содержащих тычинки, свидетельствует о недетерминированности флоральной меристемы у мутантных по гену SUP растений.

Терминация флоральной меристемы может быть нарушена и в случае возвращения меристемы к более ранней программе развития. Подобное явление связано с нарушениями в поддержании идентичности флоральной меристемы. По имеющимся данным, поддержание идентичности флоральной меристемы требует активности по меньшей мере двух генов, выполняющих и другие важные регуляторные функции. Такие выводы были сделаны на основе анализа отдельных случаев реверсии фло-ральной меристемы, то есть возврат меристемы цветка к функционированию по типу вегетативной меристемы. Подобные реверсии, приводящие к развитию вегетативного побега из цветка, можно индуцировать путем манипуляций с фотопериодом у растений, мутантных по гену AG, а также гетерозигот по гену LFY. Как было отмечено выше, ген AG необходим для установления идентичности генеративных органов цветка и терминации флоральной меристемы, в то время как ген LFY определяет идентичность флоральной меристемы во время ее образования и регулирует активность некоторых го-меозисных генов.

Неудивительно также, что в регуляции развития цветка важную роль играет ген WUS (WUSHEL). Он экспрессируется в центре цветковой меристемы и необходим для поддержания ее активности. WUS кодирует гомеодомен, содержащий транскрипционный фактор, который способен связываться с регуляторной последовательностью второго интрона гена AG. Транскрипционный фактор, кодируемый геном LFY, также связывается с этим районом гена AG. Таким образом, гены WUS и LFY активируют экспрессию гена AG в центре цветка [25].

Анализ двойных мутантов ag wus и мутантов wus показал, что WUS требуется для недетерминированного развития мутантных цветков ag. Эти результаты предполагают, что ген AG ингибирует ген WUS в центре меристемы цветка. Итак, гены WUS и AG являются компонентами единой системы негативной регуляции, в которой ген WUS активирует ген AG при формировании органов цветка, а на более поздней стадии ген AG ингибирует ген WUS, делая цветковую меристему детерминированной [25].

Таким образом, процесс терминации флоральной меристемы тесно связан с другими аспектами развития цветка и контролируется при активном участии целого ряда полифункциональных генов.

Еще один тип генов, который участвует в регуляции развития цветка, — это ген CLF (curly leaf). Мутанты по этому гену характеризуются курчавыми листьями, чашелистики напоминают пестики, а лепестки — тычинки. Такой фенотип можно получить при эктопической экспрессии гена AG, например, у трансгенных растений p35S::AG. Ген клонирован и согласно своей структуре отнесен к polycomb генам. Его белок гомологичен белку гена Enhancer of zeste E (z) дрозофилы. По аналогии основной его функцией является репрессия основных регуляторных генов развития. Например, у дрозофилы мутация по гену E(z) приводит к эктопической экспрессии селекторных гомеозисных генов семейства BITHORAX.

У мутанта clf-2 обнаружено увеличенное количество мРНК гена AG, в том числе в листьях, при их отсутствии в норме. Таким образом, ген CLF регулирует экспрессию гена AG, являясь его негативным регулятором. AG — это гомеозисный, MADS-бокс содержащий ген, но не гомеобокс содержащий ген, как у дрозофилы. Таким образом, эволюция polycomb генов в этих царствах шла независимо. Однако генетические системы регуляции за счет polycomb генов консервативны.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ РАЗВИТИЯ ЦВЕТКА

Одним из важнейших фактов, установленных в ходе исследований генетического контроля развития цветка, является принадлежность многих рассмотренных выше генов к консервативной группе транскрипционных факторов, представленной в геномах не только растений, но и других групп живых организмов.

Продукты генов АР2, АР3, PI и AG являются транскрипционным факторами. Если белок АР2 представляет собой оригинальный тип транскрипционных факторов, то продукты генов АР3, PI и AG содержат высококонсервативный ДНК-связывающий домен (MADS-домен). Этот 56-аминокислотный домен получил свое название по первым буквам четырех генов, кодирующих транскрипционные факторы с высоко гомологичными ДНК-связывающими доменами [47]:

• MCM1 — дрожжевой ген, контролирующий ко-пийность минихромосом в клетке;

• AGAMOUS — гомеозисный ген арабидопсиса;

• DEFICIENS — гомеозисный ген львиного зева, соответствующий гену АР3;

• SRF — ген человека, кодирующий регуляторный фактор сыворотки.

Продукты MADS-генов (MADS-белки) не только содержат высоко консервативный ДНК-связывающий домен, но и имеют сходный план строения. Каждый из них включает в себя 5 доменов: N-концевой; MADS-(необходим для специфического связывания с ДНК [47]; I- (слабо консервативен, обеспечивает димеризацию белка); К- (несет сходные с кератинами последовательности, также отвечающие за димеризацию белка; [20,

21, 28] и С-концевой (слабо консервативен, необходим для функционирования). Все MADS-белки являются димерами. При этом, если продукты генов API и AG образуют исключительно гомодимеры, то белки АР3 и PI функционируют только в виде гетеродимерных комплексов. Именно поэтому мутации арЗ и pi обладают сходным фенотипическим проявлением.

Имея высоко консервативный ДНК-связывающий домен, все MADS-белки обладают способностью связываться олигонуклеотидным мотивом СС(А/T)6GG, получившим название CArG-бокса. Действительно, различные MADS-белки арабидопсиса успешно конкурируют друг с другом in vitro за связывание с одними и теми же нуклеотидными последовательностями. Вместе с тем, не вызывает сомнений, что каждому типу MADS-белков свойственна вполне самостоятельная транскрипционная активность. Для разрешения этого парадокса были созданы химерные конструкции, в которых С-концевые части генов API, АР3, PI и AG (включая их I-, К- и С-домены) были подсоединены к MADS-доменам генов SRF и MEF2 животных. Несмотря на несколько различные ДНК-связывающие способности белков, кодируемых генами SRF и MEF2,

продукты обеих химерных конструкций оказались полными функциональными аналогами нормальных белков, кодируемых генами API, АР3, Р1 и AG [32, 33]. Таким образом, специфичность действия MADS-белков определяется не только их ДНК-связывающими доменами. Более того, показано, что продукты генов АРЗ и PI, а также их гомологов из львиного зева (DEFA и GLO соответственно), не способны связываться с ДНК по отдельности, но, образовав гетеродимер, успешно связываются с последовательностью-мишенью. Недавние молекулярные исследования показали, что активная форма всех продуктов MADS-генов представляет собой гомо- или гетеродимер, причем за димеризацию отвечает именно MADS-домен [32, 33].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ разнообразных мутантов арабидопсиса, проявляющих те или иные аномалии в развитии цветка, позволил выдвинуть гипотезу о каскадной регуляции этого процесса на транскрипционном уровне (рис. 5). В частности, исследование гомеозисных мутантов ара-бидопсиса привело к созданию модели развития цветка. Аналогичные мутанты получены и у другого модельного объекта — львиного зева (Antirrhinum majus), систематически весьма далекого от крестоцветных. Этот факт свидетельствует о том, что генетический контроль развития цветка, по-видимому, универсален [16, 17, 45].

В результате исследований генетического контроля развития цветка стало очевидным, что эти процессы кон-

температура автономный путь фотопериод

ГА (холод) синий или УФ-А свет

Cnkl

SVP ■ SGC1

Т Т Т У У

чашелистики лепестки тычинки пестик завязь

Рис 5. Схема регуляции формирования цветка

тролируются большим количеством регуляторных генов, составляющих очень сложную сеть, в которой различные элементы тесно взаимодействуют друг с другом. Каждый элемент этой сети может контролировать сразу несколько различных процессов. Многие гены, такие как TFL1 и AP1, участвуют в более чем одном этапе развития цветка, из чего следует, что один и тот же регуляторный белок на разных этапах развития способен взаимодействовать с различными генами. В соответствии с этим, мутации, затрагивающие различные участки одного и того же регуляторного гена, могут характеризоваться весьма разнообразным проявлением. Большую роль в регуляции экспрессии генов играют эпигенетические механизмы. Таким образом, детальное изучение функций подобных генов невозможно без вовлечения в анализ как можно более широкого круга мутаций, затрагивающих различные аспекты развития цветка.

Литература

1. Ежова Т. А. Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Как модельный объект для изучения генетического контроля морфогенеза // Генетика. — 1999. — Т. 35, № 11. — С. 1522 — 1537.

2. Лутова Л.А., Проворов Н.А., Тиходеев О.Н., Тихонович И.А., ХоджайоваЛ.Т., Шишкова С.О. Генетика развития растений — СПб.: Наука, 2000. — 530 с.

3. Aukerman M., Sakai H. Regulation of flowering time and floral organ identity by a microRNA and its APETALA2-like target genes / / The Plant Cell. — 2003. — Vol. 15. — P. 2730—2741.

4. Bartel B, Bartel D. MicroRNAs: at the root of plant development? // Plant Physiology. — 2003. — Vol. 132. — P. 709—717.

5. Bartel D. MicroRNAs: Genomics, Biogenesis, Mechanism and Function// Cell. — 2004. — Vol. 116. — P. 281—297.

6. Baulcombe D. RNA silencing// Current biology. — 2003. — Vol. 12. — P. 82—84.

7. Bowman J.L., Smyth D.R., Meyerowitz E.M. Genetic interactions among floral homeotic genes of Arabidopsis // Development. — 1991. — Vol. 112. — P. 1—20.

8. Bowman J.L., Drews G.N., Meyerowitz E.M. Expression of the Arabidopsis floral homeotic gene AGAMOUS is restricted to specific cell types late in flower development // Plant Cell. — 1991b. — Vol. 3. — P. 749—758.

9. Bowman J.L., Sakai H, Jack Т. et al. SUPERMAN, a regulator of floral homeotic genes in Arabidopsis // Development. — 1992. — Vol. 114. — P. 599—615.

10. Bowman J.L., Alvarez J., Weigel D. et al. Control of flower development in Arabidopsis thaliana by APETALA1 and interacting genes // Development. — 1993. — Vol. 119. — P. 721—743.

11. Brand V., Fletcher J.C., Hobe M. et al. Dependence of stem cell fate in Arabidopsis on a feedback loop regulated by CLV3 activity // Science. — 2000. — Vol. 289. — P. 617—619.

12. Chen X. A microRNA as a translational repressor of APETALA2 in Arabidopsis flower development// Science. — 2004. — Vol. 303. — P. 2022—2025.

13. Clark S.E., RunningM.P., MeyerowitzE.M. CLAVATAI, a regulator of meristem and flower development in Arabidopsis // Development. — 1993. — Vol. 119. — P. 397—418.

14. Clark S.E., RunningM.P., Meyerowitz E.M. CLAVATA3 is a specific regulator of shoot and floral meristem development affecting the same processes as CLAVATAI // Development. — 1995. — Vol. 121. — P. 2057—2067.

15. Clark S.E., Jacobsen S.E., Levin J.Z., Meyerowitz E.M. The CLAW^ and SHOOT MERISTEMLESS loci competitively

regulate meristem activity in Arabidopsis // Development. —

1996. — Vol. 122. — R 1567-1575.

16. Clark S.E., Williams R.W., Meyerowitz E.M. The CLAVATAI gene encodes a putative receptor-kinase that controls shoot and floral meristem size in Arabidopsis // Cell. — 1997. — Vol. 89. — R 575-585.

17. Coen B.S. The role of homeoyic genes in flower development and evolution // Ann. Rev. Plant. Rhysiol. Plant. Mol. Biol. — 1991. — Vol. 42. — R 241-279.

18. Coen E.S., Meyerowitz E.M. The war of the whorls: genetic interactions controlling flower development// Nature. — 1991. — Vol. 353. — R 31-37.

19. Drews G.N., Bowman J.L., Meyerowitz E.M. Negative regulation of the Arabidopsis homeotic gene AGAMOUS by the ARETALA2 product// Cell. — 1991. — Vol. 65. — R 991-1002.

20. Goto K., Meyerowitz E.M. Function and regulation of the Arabidopsis Horal homeotic gene RISTILLATA// Genes Devel. —

1994. — Vol. 8. — R 1548-1560.

21. Jack T, Brockman L.L., Meyerowitz E.M. The homeotic gene ARETALA3 of Arabidopsis thaliana encodes a MADS box and is expressed in petals and stamens // Cell. — 1992. — Vol. 68. — R. 683-697.

22. Jack T., Fox G.L., Meyerowitz E.M. Arabidopsis homeotic gene ARETALA3 ectopic expression: transcriptional and posttranscriptional regulation determine floral organ identity// Cell. — 1994. — Vol. 76. — R 703-716.

23. Kidner C., Martienssen R. The developmental role of microRNA in plants // Current Opinion in Rlant Biology. — 2005. — Vol. 8. — R 38-44.

24. Krizek B.A., Meyerowitz E.M The Arabidopsis homeotic genes ARETALA3 and RISTILLATA are sufficient to provide the B class organ identity function// Development. — 1996a. — Vol. 122. — R 11-22.

25. Krizek B.A., Meyerowitz E.M. Mapping the protein regions responsible for the functional specificities of the Arabidopsis MADS domain organ-identity proteins // Rroc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1996b. — Vol. 93. — R 4063-4070.

26. Leyser O., Day S. Mechanisms in Rlant Development. — Blackwell Rublishing, 2003. — R 241.

27. Llave C. et al. Endogenous and silencing-associated small RNAs in plants // The Rlant Cell. — 2002. — Vol. 14. — R 1605-1619.

28. Llave C. MicroRNAs: more than a role in plant development? // Molecular Rlant Rathology. — 2004. — Vol. 5. — Issue 4. — R 361.

29. Ma H. The unfolding drama of flower development: recent results from genetic and molecular analyses // Genes Dev. — 1994. — Vol. 8. — R. 745-756.

30. Mokamuro J.K, den Boer B.G.W., Lotys-Prass C., Szeto W., JofukuK.D. Flowers into shoot: photo and hormonal control of a meristem identity switch in Arabidopsis // Rroc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1996. — Vol. 93. — R 13831-13836.

31. Palatnik J. et al. Control of leaf morphogenesis by microRNAs // Nature. — 2003. — Vol. 425. — R 257-263.

32. Riechmann J.-L., Krizek B.A., Meyerowitz E.M. Dimerization specificity of Arabidopsis MADS domain homeotic proteins ARETALA1, ARETALA3, RISTILLATA aadAGAMOUS// Rroc. Natl. Acad. Sci. USA. — 1996. — Vol. 93. — R 4793-4798.

33. Riechmann J.-L., Wang M., Meyerowitz E.M. DNA-binding properties of Arabidopsis MADS domain homeotic proteins ARETALA1, ARETALA3, RISTILLATA, and AGAMOUS // Nucl. Acids Res. — 1996. — Vol. 24. — R 3134-3141.

34. Riechmann J.L., Meyerowitz E.M. Determination of floral organ identity by Arabidopsis MADS domain homeotic proteins ARI, AR3, RI, and AG is independent of their DNA-binding specificity // Molec. Biol. Cell — 1997. — Vol. 8. — R 1243-1259.

35. Rhoades M. et al. Rrediction of plant microRNA target // Cell. — 2002. — Vol. 110 — R 513-520.

36. Ruiz-Medrano R., Xoconostle-Cazares B., Kragler F. The plasmodesmatal transport partway for homeotic proteins, silencing

signals and viruses // Current Opinion in Plant Biology. — 2004. — Vol. 7. — P. 641-650.

37. Sakai H., Medrano L.J., Meyerowitz E.M. Role of SUPERMAN in maintaining Arabidopsis floral whorl boundaries // Nature. — 1995. — Vol. 378. — P. 199-203.

38. Sieburth L.E., RunningM.P., Meyerowitz E.M. Genetic separation of third and fourth whorl functions of AGAMOUS // Plant Cell. —

1995. — Vol. 7. — P. І249-1258.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

39. Simpson G.G. The autonomous partway: epigenetic and post-transcriptional gene regulation in the control of Arabidopsis flowering time // Current Opinion in Plant Biology. — 2004. — Vol. 7. — P. 570-574.

40. Steimer A., Schob H., Grossniklaus U. Epigenetic control of plant development: new layers of complexity // Current Opinion in Plant Biology. — 2004. — Vol. 7. — P. 11-19.

41. Trotochand A.E., Jeong S., Clark S.E. CLAVATA3, a miltimeric ligand for the CLAVATA1 receptor-kinase // Science. — 2000. — Vol. 289. — P. 613-617.

42. Vaucheret H. et al. The action of ARGONAUTE1 in the miRNA pathway and its regulation by the miRNA pathway are crucial for plant development// Genes and Development. — 2004. — Vol. 18. — P. 1187-1197.

43. Weigel D. The genetics of flower development: from floral induction to ovule morphogenesis// Annu. Rev. Genetics. — 1995. — Vol. 29. — P. 19-39.

44. Weigel D., Meyerowitz E.M. The ABCs of floral homeotic genes // Cell. — 1994. — Vol. 78. — P. 203-209.

45. Weigel D., Alvarez J., Smyth D.R. et al. LEAFY controls floral meristem identity in Arabidopsis // Cell. — 1992. — Vol. 69. — P. 843-859.

46. Weigel D., Meyerowitz E.M. Activation of floral horaeotic genes

in Arabidopsis // Science. — 1993. — Vol. 261.—

P. 1723-1726.

47. Williams R.W., Wilson J.M., Meyerowitz E.M. A possible role for kinase-associated protein phosphatase in the Arabidopsis

CLAVATA1 signaling pathway// Proc. Natl. Acad. Sci. USA. —

1997. — Vol. 94. — P. 10467—10472.

48. Yanofsky M.F., Ma H., Bowman J.L. et al. The protein encoded by the Arabidopsis homeotic gene agamous resembles transcription factors // Nature. — 1990. — Vol. 346. — P. 35—39.

General morphogenetic events and regulatory genes expression in flower development

Lutova L.A.

Saint-Petersburg State University

^ SUMMARY: The main genetics of development conception is differential genes expression for different types of cells in developed organisms. That is correct for higher plants, too. Otherwise, all the higher plants, in comparing to animals, are characterized by some unique traits. The main of them is a strong cell wall leading to the immobility of organism, so plants chose principally different life strategy, connecting to the adaptation. Sequencing of several plant genomes revealed that there are much more genes involved in plant morphogenesis than in animal are. The main of plant morphogenesis genes are MADS-genes, the place and the level of expression of them define unique features of morphogenesis. Some data confirmed that expression of some transcription factors is under epigenetic control. It means that RNA plays a key role in the regulation of the main genes in development. So, the absence of homeosis gene AP2 expression in inner мутовках of develop flower is a result of active miRNA172 gene expression in that regions. The genetic, molecular and biochemical basis of the action of the MADS domain proteins in the plant life cycle are reviewed here. Moreover, in this reviewer, we focus on examples of signaling and gene regulation, where striking progress has been made in recent years.

^ KEY WORDS: plant morphogenesis; flower development; ABC-model; MADS-genes; si-RNA

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.