CC BY
32
2014 ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА Сер. 3 Вып. 1
ГЕНЕТИКА
УДК 1575:581.144.2:581.133.8:582.683.2 С. Г. Хаблак
СОВМЕСТНОЕ ВЛИЯНИЕ ГЕНОВ SHR1 И GPA1 НА СТРОЕНИЕ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ У ARABIDOPSIS THALIANA (L.) HEYNH. ПРИ РАЗНОЙ ЖИЗНЕСПОСОБНОСТИ РАСТЕНИЙ
Представлены результаты изучения наследования признаков корневой системы у Arabidopsis thaliana при взаимодействии генов SHR1 и GPA1. Установлено, что при скрещивании растений мутантных линий shr-1 х gpa1-3 в поколении F2 происходит видоизменение диген-ного расщепления по фенотипу в отношении 9:3:3. Причиной этого является элиминация при расщеплении класса гомозигот по обоим рецессивным генам. Библиогр. 14 назв. Ил. 1. Табл. 1.
Ключевые слова: Arabidopsis thaliana (L.) Heynh., корневая система, ген, мутация, взаимодействие генов.
THE JOINT INFLUENCE OF GENES SHR1 AND GPA1 ON THE STRUCTURE OF THE ROOT SYSTEM IN ARABIDOPSIS THALIANA (L.) HEYNH. AT DIFFERENT PLANT HEALTH
S. G. Hablak
Lugansk National Agrarian University, 91008, Lugansk, Ukraine; [email protected]
The article presents the results of the study of inheritance of the root system in Arabidopsis thaliana by the interaction of genes SHR1 and GPA1. By crossing plants of mutant lines shr-1 хgpa1-3 F2 generation is characterized by a modified digeni splitting of the phenotype with respect to 9:3:3. The reason for this is the elimination of the splitting of the class in both homozygous recessive genes. Refs 14. Figs 1. Таbles 1.
Keywords: Arabidopsis thaliana (L.) Heynh., root system, gene, mutation, gene interactions.
Корневая система — это совокупность всех корней растения, образующихся в результате их ветвления [1].
Функции корневой системы многообразны. Она закрепляет растение в почве, поглощает из нее воду и растворенные в ней вещества, синтезирует важнейшие органические соединения [2]. У некоторых растений корни служат местом отложения запасных органических веществ, а также органами вегетативного размножения [3].
Обычно большинство систематиков отдел Покрытосеменных разделяют на два класса: Двудольные и Однодольные [4]. Одним из характерных различий данных классов является разный тип корневой системы. Для двудольных растений обычно характерны стержневые и смешанные корневые системы, а для однодольных — мочковатые корневые системы. Выяснение принципов, лежащих в основе образования разных тиС. Г. Хаблак ([email protected]): Луганский национальный аграрный университет, Украина, 91008, Луганск.
пов корневых систем у этих классов, является наиболее трудной и еще мало изученной проблемой генетики развития растений.
У модельного растительного объекта Arabidopsis thaliana образуется корневая система смешанного типа, объединяющая в себе систему главного корня и систему придаточных корней [5]. В последнее время генетические исследования мутантов A. thaliana позволили изолировать и секвенировать ряд генов, участвующих в образовании корневой системы. К ним относятся гены SHORT-ROOT (SHR1) [6] и G PROTEIN ALPHA SUBUNIT1 (GPA1) [7].
Ген SHR1 кодирует фактор транскрипции SHR1, контролирующий активность апикальной меристемы корня [8]. Мутация shr-1 по гену SHR1 вызывает у растений развитие мочковатой корневой системы, которая не имеет ясно выраженного главного корня и состоит преимущественно из большого количества придаточных корней [9].
Ген GPA1 кодирует а-субъединицу гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (G-белки), ответственных за передачу гормонального сигнала от рецепторов серпантинного типа к транскрипционным факторам [10]. Мутация gpa1-3 в этом гене обусловливает формирование у растений стержневой корневой системы, имеющей ясно выраженный главный корень, который длиннее и толще боковых корней [11].
Информация о наследовании признаков корневой системы у A. thaliana при взаимодействии генов SHR1 и GPA1 отсутствует. В связи с этим целью настоящей работы было изучение влияния взаимодействия генов SHR1 и GPA1 на строение корневой системы.
Материалы и методы исследования
Материалом для исследований послужили растения Arabidopsis thaliana (L. ) Heynh. экотипа (расы) Columbia (Col-О), мутантных линий short-root-1 (shr-1) и gprotein alpha subunit1-3 (gpa1-3). Семена мутантных линий были получены из Ноттингемского центра образцов арабидопсиса (Nottingham Arabidopsis Stock Centre (NASC), UK)).
Растения выращивали в лаборатории в асептической пробирочной культуре на агаризованной питательной среде Кнопа, обогащенной микроэлементами [12].
Семена к посеву готовили путем яровизации в течение пяти суток при температуре 4-6 °С и последующего односуточного проращивания при комнатной температуре. Пробирки для предохранения от нагревания и попадания света на корни растений обертывали двумя слоями бумаги. Растения культивировали при температуре 18-20 °С, освещенность круглосуточная в пределах 4000-7000 лк.
Кастрацию и принудительную гибридизацию проводили под микроскопом типа МБС-9 («Модуль Плюс», Украина). Генетический анализ наследования признаков корневой системы у растений проводили в F1, F2. Объем выборки во втором поколении составлял 196 растений. При проведении наблюдений за растениями руководствовались общепринятыми методиками вегетационных и сравнительно-морфологических исследований [13]. Математическую обработку результатов проводили по методам, описанным Б. А. Доспеховым [13] и Г. Ф. Лакиным [14].
Результаты исследования и их обсуждение
Результаты скрещивания растения мутантной линии shr-1, имеющей мочковатую корневую систему shr-1 shr-1 GPA1 GPA1, с растением мутантной линии gpa1-3 со стержневой корневой систеой SHR1 SHR1 gpa1-3 gpa1-3 представлены на рисунке.
Р ^ 8Иг-1 .чИг-1 СРА1 СРА1 X Мочковатая корневая система
Е
$ 8НЯ1 ЯНЯ! 8ра1-3 ёра1-3 Стержневая корневая система
5ЯД; СРА1 ¿ра1-3 Смешанная корневая система
тю_вРА1_ Смешанная корневая система
_£ра1-3 ёра1-3 Стержневая корневая система
¡Иг-1 ¡Иг-! вРА1_ Мочковатая корневая система
зИг-] $Ьг-1 %ра1-3 ёра1-3 Гибель проростков
9/16
3/16
3/16
1/16
Наследование типа корневой системы у А. 1каНапа при гибели проростков, гомозиготных по рецессивным аллелям двух генов БИЕ1 и ОРА1:
БИК1 — смешанная корневая система; зкт-1 — мочковатая корневая система; ОРА1 — смешанная корневая система; gpa1-3 — стержневая корневая система.
Смешанная корневая система определяется наличием доминантного аллеля БИВ.1, а мочковатая — наличием аллеля $Нт-1. Другая аллельная пара в гомозиготном состоянии также определяет смешанную корневую систему ОРА1 ОРА1, а рецессивное гомозиготное состояние гена gpa1-3 gpa1-3 приводит к образованию стержневой корневой системы. Гибридные растения первого поколения БИВ.1 $Нт-1 ОРА1 gpa1-3 имеют корневую систему смешанного типа. Нормальный тип корневой системы обусловлен взаимодействием двух доминантных аллелей БИВ.1 и ОРА1 в гетерозиготном состоянии. От самоопыления таких форм во втором поколении появляются растения с тремя типами корневых систем в отношении (9) со смешанной корневой системой: (3) со стержневой корневой системой: (3) с мочковатой корневой системой, т. е. расщепление не оказывается типичным для дигибридного скрещивания.
В таблице приведены результаты расщепления в поколении Б2 по указанным признакам. Из данных таблицы видно, что статистически подтверждается совпадение теоретически ожидаемого расщепления по фенотипу с наблюдаемым в опыте: х2 < Х2а, Р < 0,95.
Расщепление в поколении F2 по генам ЗИи1 и ОРА1
Обозначение БИКР ОРА1_ БИКР gpa1-3 gpa1-3 ¡кт-1 ¡кт-1 ОРА1_ Всего
I 108 37 35 180
I1 101 34 34 180
й 7 3 1
й 2 49 9 1
= 1 | =2 0,49 0,26 0,03 0,78
Во втором поколении такого скрещивания имеет место расщепление в необычном отношении 9:3:3. Однако при самоопылении гибридных растений первого поколения в потомстве должно было бы получаться расщепление типичное для ди-гибридного скрещивания: (9) БИВ.1 _ ОРЛ1 _ : (3) БИВ.1 _ gpa1-3 gpa1-3 : (3) $Нт-1 $Нт-1 ОРЛ1 _ : (1) $Нт-1 $кт-1 gpa1-3 gpa1-3, а получилось (9) БИШ _ ОРЛ1 _ : (3) БИШ _gpa1-3 gpa1-3 : (3) $кт-1 $кт-1 ОРЛ1 _.
Причиной, изменяющей расщепление в отношении 9:3:3:1, является разная жизнеспособность растений в поколении Б2. Растения, у которых рецессивные аллели двух генов БИВ.1 и ОРЛ1 находятся в гомозиготном состоянии ($Нт-1 $кт-1 gpa1-3 gpa1-3), не выживают и гибнут на стадии проростка от прекращения развития корневой системы. У таких растений наблюдается сильная редукция главного и придаточных корней, что приводит к снижению жизнеспособности и скорости их роста. Это связано с тем, что мутация $Нт-1 по гену БИЯ1 вызывает в корневой системе прекращение роста главного корня, а мутация gpa1-3 в гене ОРЛ1 обусловливает подавление образования придаточных корней.
Следовательно, гомозиготное состояние по обоим рецессивным генам $Нт-1 $кт-1 gpa1-3 gpa1-3 вызывает у растений их гибель. В результате целый класс расщепления выпадает, давая отношение 9:3:3 вместо 9:3:3:1.
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что при скрещивании растений мутантных линий $Нт-1 хgpa1-3 в поколении Б2 происходит видоизменение расщепления по фенотипу в отношении 9:3:3. Причиной этого является разная жизнеспособность растений во втором поколении.
Литература
1. Сельскохозяйственный энциклопедический словарь / гл. ред. В. К. Месяц. М.: Сов. энциклопедия, 1989. 656 с.
2. Жизнь растений: в 6 т. / под ред. А. Л. Тахтаджяна. М.: Просвещение, 1980. Т. 5. Ч. 1: Цветковые растения. 430 с.
3. Тихомиров Ф. К. Ботаника. М.: Высш. школа, 1974. 397 с.
4. Андреева И. И., Родман Л. С. Ботаника. М.: Колос, 1999. 488 с.
5. Хаблак С. Г., Абдуллаева Я. А. Корневая система Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. дикого типа расы Landsberg // Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2010. Вып. 2 (21). С. 92-98.
6. Benfey P. N., Linstead P. J., Roberts K. Root development in Arabidopsis: four mutants with dramatically altered root morphogenesis // Development. 1993. Vol. 119, N 5. Р. 57-70.
7. Ma H., Yanofsky M. F., Meyerowitz E. M. Molecular cloning and characterization of GPA1, a G protein alpha subunit gene from Arabidopsis thaliana // Proc Natl. Acad. Sci. USA. 1990. Vol. 87, N 10. Р. 3821-3825.
8. Helariutta Y., Fukaki H., Wysocka-Diller J. The SHORT-ROOT gene controls radial patterning of the Arabidopsis root through radial signaling // Cell. 2000. Vol. 101, N 5. Р. 555-567.
9. Хаблак С. Г. Влияние генов SHR1 и SCR1, регулирующих активность апикальной меристемы корня, на строение корневой системы у Arabidopsis thaliana (L. ) Heynh. // Вестн. Удмурт. ун-та. 2013. Вып. 1. С. 46-51.
10. Okamoto H., Matsui M., Deng X. W. Overexpression of the heterotrimeric G-protein alpha-subunit enhances phytochrome-mediated inhibition of hypocotyl elongation in Arabidopsis // Plant Cell. 2001. Vol. 13, N 7. Р. 1639-1652.
11. Хаблак С. Г., Абдуллаева Я. А. &роение корневой системы у мутантной линии g protein alpha subunit1-3 (gpa1-3) Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. // Экосистемы, их оптимизация и охрана. 2011. Вып. 5 (24). С. 71-78.
12. Рубин Б. А., Чернавина И. А., Потапов Н. Г. Большой практикум по физиологии растений. М.: Высш. школа, 1978. 408 с.
13. Доспехов Б. А. Методика полевого опыта. М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.
14. Лакин Г. Ф. Биометрия. М.: Высш. школа, 1990. 352 с.
Статья поступила в редакцию 14 октября 2013 г.
Сведения об авторах
Хаблак Сергей Григорьевич — кандидат биологических наук, доцент Hablak S. G. — Ph.D., Associate Professor
