CC BY
58
46
ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
УДК 575:581.144.2:581.133.8:582.683.2 С.Г. Хаблак
ВЛИЯНИЕ ГЕНОВ SHR1 и SCR1, РЕГУЛИРУЮЩИХ АКТИВНОСТЬ АПИКАЛЬНОЙ МЕРИСТЕМЫ КОРНЯ, НА СТРОЕНИЕ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ У ARABIDOPSIS THALIANA (L.) HEYNH.
Изучены особенности строения корневых систем у растений мутантных линий shr-1 и scr-1 Arabidopsis thaliana. Установлено, что у линий shr-1 и scr-1 формируется мочковатая корневая система, которая не имеет ясно выраженного главного корня и состоит преимущественно из большого количества придаточных корней.
Ключевые слова: Arabidopsis thaliana, корневая система, корень, дикий тип, мутантная линия, ген, мутация.
Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. - однолетнее двудольное растение из семейства крестоцветных (2n=10), которое в последние годы стало приоритетным модельным объектом генетики развития растений [1].
В области функциональной геномики резуховидки в настоящее время решается задача выяснения функций всех его 25 тыс. генов. Познание функций генов A. thaliana - важный шаг к выяснению того, как функционируют подобные гены у родственных организмов. Большая часть работ посвящена особенностям развития побега, листа, цветка и соцветия. Для указанных органов уже выяснены примерные программы онтогенеза. Вместе с тем вопросы генетики морфогенеза корневой системы у растений практически не изучены.
Формирование корневой системы у A. thaliana, как и у всех высших растений - сложный процесс реализации программы развития растения. Этот процесс достаточно полно описан морфологическими и анатомическими исследованиями [2-4]. Однако его генетическая программа развития не изучена. Поэтому одним из актуальных направлений генетики A. thaliana является исследование генетического контроля формирования корневой системы.
Корневая система у растений A. thaliana формируется в результате деятельности меристем. За счет меристем осуществляется длительный, в течение всей жизни рост корней [5]. Недостаточно изученными в генетике развития растений являются вопросы о том, как инициальные клетки меристем задерживаются на эмбриональной стадии развития на протяжении всей жизни растения и каким образом регулируется дифференциация инициальных клеток в различные ткани органов растений.
Мутанты, которые нарушают меристематическую активность инициальных клеток апикальной меристемы корня, часто демонстрируют ограниченный рост корневой системы. У арабидопсиса выявлено несколько генов, регулирующих неопределенный рост корней: SHORT-ROOT (SHR1) [6], SCARECROW1 (SCR1) [7] и WOODENLEG1 (WOL1) [8].
В начале 1990-х гг. группой ученых под руководством P.N. Benfey [6] были получены мутации, приводящие к аномальному морфогенезу органов растения в процессе онтогенеза. Две мутации short root-1 (shr-1) и scarecrow-1 (scr-1) обусловливали отклонения в постэмбриональном развитии корня. Авторы назвали их мутациями морфогенеза корня (root morphogenesis mutations).
Гены SHR1 и SCR1 контролируют генетическую программу формирования корня и его тканей, обеспечивая включение или выключение определенных генов в нужный момент развития растения. Они кодируют транскрипционные факторы (белки), регулирующие функционирование верхушечной меристемы корня [9; 10].
Белки генов SHR1 и SCR1 принадлежат к GRAS семейству транскрипционных факторов, которое включает более 30 белков, участвующих в регуляции развития корня и побегов, в ответных реакциях на гиббереллины, в передаче фитогормонального сигнала. Кроме белков SHR и SCR1, к семейству транскрипционных факторов GRAS относятся такие белки, как GAI (gibberellic acid insensitive), PAT1 (phytochrome A signal transduction), RGA1 (repressor of GA1) и другие [11].
Путем размножения при самоопылении растений A. thaliana, несущих мутации по генам SHR1 и SCR1, были получены мутантные линии, которые поддерживаются в настоящее время в международных генетических центрах коллекций арабидопсиса: NASC, ABRC, SASSC. Для этих линий известно местоположение генов на генетической карте. Ген SHR1 расположен на 4-й хромосоме в локу-се 69 [9]. В локусе 2 хромосомы 3 находится ген SCR1 [7].
Несмотря на важную роль генов SHR1 и SCR1 в регулировании функционирования верхушечной меристемы главного корня до сих пор не изучено влияние указанных генов на морфобиологические особенности строения всей корневой системы, что и послужило поводом для наших исследований.
Материалы и методика исследований
Материалом для исследований служили растения A. thaliana экотипа Columbia - Col-О (дикий тип), мутантных линий short-root-1 (N6503) и scarecrow-1 (N8539), семена которых были получены из Ноттингемского центра образцов арабидопсиса (Nottingham Arabidopsis Stock Centre, UK).
Исследования проведены в лаборатории охраны почв Луганского национального аграрного университета. Растения выращивали в асептической пробирочной культуре на агаризованной питательной среде Кнопа, обогащенной микроэлементами [12]. Питательную смесь разливали в химические пробирки размером 14х120 мм.
Семена к посеву готовили путем яровизации в течение 5 суток при температуре 4-6 °С и последующего односуточного проращивания при комнатной температуре. Пробирки для предохранения от нагревания и попадания света на корни растений обвертывали двумя слоями бумаги. Растения культивировали при температуре 18-20 °С, освещенность круглосуточная в пределах 4000-7000 лк.
При проведении наблюдений, учетов руководствовались общепринятыми методиками вегетационных и сравнительно-морфологических исследований [13; 14]. Математическую обработку результатов проводили по Б.А. Доспехову [13], Г.Ф. Лакину [15]. При сравнении корневых систем объем выборки у дикого типа и мутантных линий N6503 и N8539 составлял по 30 растений. Изображения корневых систем растений получали с помощью цифрового фотоаппарата Benq DC C1220.
Результаты и их обсуждение
Корень - это осевой вегетативный орган высших растений, не несущий на себе листьев и репродуктивных элементов [16]. Под этим термином обычно подразумевают отдельно выделяемый корень из общей массы корней растения. Однако многие авторы отождествляют его с корневой системой, что не правильно. Корень и корневая система не синонимы. Корень является элементом корневой системы.
По определению корневая система - это совокупность корней одного растения, общая форма и характер которой определяются соотношением роста главного, боковых и придаточных корней [17]. Считалось, что для A. thaliana характерна стержневая корневая система [3]. Однако недавно было установлено, что у растений A. thaliana экотипа Landsberg образуется корневая система смешанного типа, объединяющая в себе главный и придаточные корни [2].
Как видно из рисунка (а), в корневой системе экотипа Со1-О (дикий тип) выделяется собственно главный корень, на котором формируются боковые корни первого порядка. Для главного корня характерны интенсивный рост и резкие отличия от боковых корней по толщине и длине. На боковых корнях первого порядка развиваются боковые корни второго порядка. В силу этого образуются боковые структуры, которые обладают неодинаковым характером ветвления, темпом роста корней в вертикальном и горизонтальном направлениях, а также различным расположением на главном корне.
Придаточные корни располагаются на гипокотиле. Они обозначены на рисунке стрелкой. Главный корень обладает положительным геотропизмом и растет вертикально вниз. Придаточные корни и боковые корни главного корня развиваются в горизонтальном направлении, образуя разной величины угол с главным корнем.
Граница между гипокотилем и главным корнем (корневая шейка) часто бывает трудно различима, и лишь характер эпидермиса (с устьицами на гипокотиле и без устьиц на главном корне) служит целям маркировки придаточных корней и дает возможность четко отграничить придаточные корни от боковых корней главного корня. По всей видимости, эти затруднения в разграничении придаточных корней от остальных корней корневой системы и послужили причиной ошибочного представления о том, что у растений арабидопсиса формируется стержневая корневая система.
У мутантных линий N6503 и N8539 по генам shr-1 и scr-1 корневые системы внешне принципиально отличаются от экотипа Со1-О (рис. б, в, г). При морфобиологическом анализе корневых систем (с помощью микроскопа МБС-10) у растений линий N6503 и N8539 мы различили две группы корней: придаточные и боковые. Главный корень, который должен образовывать основной стержень корневой системы, среди придаточных и боковых корней не был отмечен.
48_С.Г. Хаблак_
2013. Вып. 1 БИОЛОГИЯ. НАУКИ О ЗЕМЛЕ
Рис. Строение корневых систем у растений экотипа Со1-О (дикий тип) и мутантных линий в фазу цветения: а - общий вид корневой системы экотипа Со1-О (стрелкой на рисунке обозначены придаточные корни); б - корневая система мутантной линии по гену shr-1; в, г - корневая система
мутантной линии по гену sсr-1
Придаточные корни практически одинаковые по длине и растут пучком. От придаточных корней отходят боковые корни, от крупных боковых - более мелкие. Таким образом, у растений линий N6503 и N6503 образуется более или менее густая сеть многочисленных придаточных и боковых корней, формирующая корневую систему растения.
Как правило, корневая система может быть стержневой, если главный корень выделяется среди корней своей величиной, и мочковатой, если главный корень слабо развит и не отличается от остальных корней. В первом случае корневую систему называют также системой главного корня, во втором - системой придаточных корней. Если у растений имеются и главный, и придаточные корни, корневую систему называют смешанной [18].
Очевидно, что у растений мутантных линий N6503 и N8539 корневая система мочковатая. Однако такой тип корневой системы характерен, главным образом, для большинства однодольных растений, например для злаков, осок, лилейных и многих других, а не для двудольных растений, к которым относится вид А. ^аИапа. Действительно, в нашем случае у растений мутантных линий формируется мочковатая корневая система, у которой главный корень четко не выявлен, а имеются придаточные и боковые корни (табл.).
Сравнение средних значений признаков корневых систем у экотипа Со1-О (дикий тип) и мутантных линий в фазу цветения
Корни
8 Ч Главный корень Боковые корни главного корня - а § Боковые корни придаточных корней « е к
Линии е м ев « О С 1-го порядка ветвления 2-го порядка ветвления 3-го порядка ветвления е § к £ § § д и р С 1-го порядка ветвления 2-го порядка ветвления 3-го порядка ветвления а рок о г е о И
Со1-О Число корней, шт. 1,0 21,1 41,7 9,0 2,0 10,1 16,8 6,4 108,1
Длина корней, мм 57,7 17,8 6,1 3,7 12,4 6,6 5,1 2,9 112,3
N6503 Число корней, шт. 0 0 0 0 16,0 11,1 5,7 0 32,8
Длина корней, мм 0 0 0 0 21,7 7,1 4,2 0 33,0
N8539 Число корней, шт. 0 0 0 0 17,5 11,6 6,7 0 35,8
Длина корней, мм 0 0 0 0 22,3 7,6 4,3 0 34,2
НСР0,95* ®0 С2 ■ 1,1/2,4 2,0/0,3 1,6/0,3 1,7/2,2 1,8/1,1 3,8/1,0 1,7/0,5 8,9/5,1
Примечание. * - в числителе для числа корней, в знаменателе для длины корней.
Сравнение корневых систем по числу и длине корней экотипа и мутантных линий N6503 и N6503 в фазу цветения показало, что в составе корневой системы у Со1-О по длине корней господствует главный корень, который занимает 51,4% (57,7 из 112,3 мм) всех корней, а по числу корней доминируют боковые корни 2-го порядка ветвления главного корня, которые составляют 38,6%. В то время как в составе корневых систем мутантных линий преобладают придаточные корни: по числу корней они занимают 48,8 и 48,9% всех корней, а по длине - 65,8 и 65,2% соответственно. В целом мутантные линии характеризуются меньшим, примерно в три раза, количеством корней по сравнению с исходным экотипом.
Обычно у растений с мочковатой корневой системой (злаки - пшеница, овес, ячмень и др.) из зародыша семени развиваются несколько почти равнозначных первичных корней, более развитый из них является главным [19]. Напротив, у растений рецессивных мутантных линий по генам shr-1 и sсr-1 в морфогенезе корневых систем при прорастании семени появляется всего один зародышевый корешок. Он направляется вниз и занимает вертикальное положение. Через несколько дней, зародышевый корешок развивается в корень проростка и резко замедляет свой рост. Вместо этого на гипо-котиле проростка образуются придаточные корни. Они в свою очередь разветвляются и формируют боковые корни. В дальнейшем придаточные корни становятся неотличимыми от главного корня, развивающегося крайне медленно или же совсем останавливающегося в росте. В результате формируется система придаточных корней. Таким образом, у линий N6503 и N8539 формируется мочковатая корневая система, которая характеризуется торможением в росте главного корня, отходящих от него боковых корней и развитием многочисленных придаточных корней. Такой тип корневой системы чаще всего характерен для большинства представителей однодольных растений.
В общем, следует сказать, что по литературным данным для растений мутантных линий по генам shr-1 и sсr-1 характерна корневая система стержневого типа [6-11]. В то же время этими авторами для подобного утверждения не было проведено специальных исследований влияния этих генов на строение корневой системы, на изменение ее типа. Однако из представленных нами результатов можно заключить, что у растений линий N6503 и N8539 образуется мочковатая корневая система.
50
С.Г. Хаблак
Выяснение принципов, лежащих в основе образования разных типов корневых систем у однодольных и двудольных растений, является наиболее трудной и еще малоизученной проблемой генетики развития растений. В морфогенезе корневой системы, то есть в ее формообразовании, происходят процессы заложения, роста и развития клеток, тканей и органов, которые генетически запрограммированы и скоординированы между собой. Изучение влияния рецессивных аллелей генов SHR1 и SCR1 на строение корневой системы позволило выявить основные морфобиологические особенности генетического контроля формирования у растений арабидопсиса мочковатой корневой системы. Наши данные свидетельствуют, что переход корневой системы от одного типа к другому в процессе онтогенеза генетически обусловлен и зависит от генов, регулирующих функционирование апикальной меристемы корня. Центральная роль в морфогенезе образования разных типов корневых систем у растений принадлежит верхушечной меристеме корня, которая является главным координирующим центром, влияющим на морфогенетические процессы корневой системы.
Выводы
Изучение строения корневых систем в асептической культуре у мутантных линий арабидопсиса N6503 и N8539 показало, что прекращение роста апикальной меристемы главного корня ведет к изменению типа корневой системы. В результате чего рецессивные мутантные аллели shr-1 и scr-1 обусловливают развитие у растений мочковатой корневой системы, у которой основную массу корней составляют придаточные корни. Эти результаты указывают на ключевую роль генов SHR1 и SCR1 в формировании строения корневой системы у A. thaliana.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Arabidopsis thaliana - модельный объект генетики растений / ред. Г.А. Ежова. М.: МАКС Пресс, 2003. 220 с.
2. 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.
3. Кондратьева-Мельвиль Е.А., Водолазский Л.Е. Морфологическое и анатомическое строение Arabidopsis thaliana (Brassicaceae) в онтогенезе // Бот. журн. 1982. Т. 67, № 8. С. 1060-1069.
4. Jiang K., Feldman L.J. Regulation of root apical meristem development // Annu. Rev. Cell Dev. Biol. 2005. Vol. 21, № 3. Р. 485-509.
5. Тутаюк В.Х. Анатомия и морфология растений. М.: Высш. шк., 1972. 336 с.
6. Benfey P.N., Linstead P.J., Roberts K., Schiefelbein J.W., Hauser M.-T., Aeschbacher R.A. Root development in Arabidopsis: four mutants with dramatically altered root morphogenesis // Development. 1993. Vol. 119, № 5. Р. 57-70.
7. Sabatini S., Heidstra R., Wildwater M., Scheres B. SCARECROW is involved in positioning the stem cell niche in the Arabidopsis root meristem // Genes Dev. 2003. Vol. 17, №3. Р. 354-358.
8. Inoue T., Higuchi T., Hashimoto Y., Seki M., Kobayashi M., Kato T., Tabata S., Shinozaki K., Kakimoto T. Identification of CRE1 as a cytokinin receptor from Arabidopsis // Nature. 2001. Vol. 409, №3. Р. 1060-1063.
9. Dhondt S., Coppens F., De Winter F., Swarup K., Merks R.M.H., Inze D., Bennett M.J., Beemster G.T.S. SHORT-ROOT and SCARECROW regulate leaf growth in Arabidopsis by stimulating s-phase progression of the cell cycle // Plant Physiology. 2010. Vol. 154, №3. P. 1183-1195.
10. Levesque M.P., Vernoux T., Busch W., Cui H. Whole-genome analysis of the SHORT-ROOT developmental pathway in Arabidopsis // PLoS Biol. 2006. Vol. 4, №5. Р. 143-148.
11. Yu N., Lee S.A., Lee M.H., Heo J.O., Chang K.S., Lim J. Characterization of SHORT-ROOT function in the Arabidopsis root vascular system // Mol Cells. 2010. Vol. 30, № 2. Р. 113-119.
12. Большой практикум по физиологии растений / ред. М. Рубина. М.: Высш. шк., 1978. 408 с.
13. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М.: Агропромиздат, 1985. 351 с.
14. Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Агрохимия. М.: Колос, 2002. 584 с.
15. Лакин Г. Ф. Биометрия. М.: Высш. шк., 1990. 352 с.
16. Сельскохозяйственный энциклопедический словарь / ред. В.К. Месяц. М.: Сов. энцикл., 1989. 656 с.
17. Биология: Биологический энциклопедический словарь / ред. М.С. Гиляров. М.: Большая рос. энцикл., 1989. 864 с.
18. Блукет Н.А., Емцев В.Т. Ботаника с основами физиологии растений и микробиологии. М.: Колос, 1974. 560 с.
19. Суворов В.В. Ботаника с основами геоботаники. Л.: Колос, 1971. 592 с.
Поступила в редакцию 23.11.12
S.G. Hablak
The influence of genes SHR1 and SCR1 that regulate the activity of the apical meristem of the root the structure on the root system in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.
We have studied the features of the structure of root systems for the plants of the following mutant lines: shr-1 and ssr-1 Arabidopsis thaliana. It has been established that the lines shr-1 and scr-1 form a fibrous root system which has no explicit main root and consists mainly of a large number of adventitious roots.
Keywords: Arabidopsis thaliana, root system, root, wild type, mutant line, gene, mutation.
Хаблак Сергей Григорьевич, кандидат биологических наук, доцент
Луганский национальный аграрный университет 91008, Украина, г. Луганск, городок ЛНАУ E-mail: serhab_211981@rambler.ru
Hablak S.G., candidate of biology, associate professor
Lugansk National Agricultural University 91008 Ukraine, Lugansk, University campus E-mail: serhab_211981@rambler.ru
