Lecture number 15. "Биология развития растений"

БИОЛОГИЯ
РАЗВИТИЯ
РАСТЕНИЯ
Цикл развития покрытосемянного
растения на примере кукурузы
(по Хржановскому, 1982).
1—6 — развитие спорофита (2n):
1 — зигота, 2 — зародыш, 3 — проросток,
4 — взрослое растение,
5 — тычиночный цветок,
6 — разрез семяпочки;
7—17 — развитие гаметофитов (1n):
7—8 — развитие микроспор,
9, 10 — развитие мужского гаметофита, 1
1, 12 — образование мегаспор,
13—16 — развитие женского гаметофита,
17 — начало полового процесса
Наиболее важные отличия растений от животных организмов касаются
прежде всего особенностей их роста и развития.
Можно выделить, по крайней мере, три принципиальных различия:
Во-первых, растения, в отличие от большинства животных организмов,
способны размножаться неполовым, вегетативным путем.
Во-вторых, у растений очень высока скорость и способность к регенерации
при повреждении за счет клеток меристематических тканей и путем
дедифференцировки некоторых клеток в меристематические и образования
каллусных тканей и формирования новых очагов деления и роста.
Способность клеток растения к дедифференцировке и формированию
нового целого организма называют тотипотентностью.
В-третьих, растения, «в погоне» за питательными веществами вынуждены
расти всю свою жизнь.
Для них особенно важно функционирование апикальных меристем верхушки
побега и корня, в которых постоянно идут процессы деления клеток.
Животные, как только достигают половозрелости расти перестают.
Развитие любого организма включает такие процессы, как рост и
дифференцировка.
Термин “развитие” используют для обозначения количественных и
качественных изменений в структуре и функциональной активности
растения в ходе онтогенеза.
Под термином “рост” понимают процесс необратимых количественных
изменений, которые происходят во время развития организма, органа,
ткани или клетки.
Рост включает процессы увеличения числа клеток за счет их деления, а
также увеличение размеров клеток путем растяжения.
О дифференцировке же говорят, если в ходе развития растительного
организма возникают качественные различия у первоначально
однородных структур. Дифференцировка может осуществляться на
клеточном, тканевом и организменном уровне.
В последнем случае речь идет о морфогенезе. т.е. процессе
формообразования, который связан с закладкой, ростом и развитием
специализированных органов растения.
Рост представляет собой одно из наиболее легко
обнаруживаемых проявлений жизнедеятельности
растений, так как при этом увеличиваются размеры
растительных органов и тканей.
Однако Д.А.Сабинин писал, что рост нельзя сводить только к
увеличению растительной массы, поскольку при этом
происходит «новообразование элементов структуры
растительного организма».
Под термином «рост» понимают процесс необратимых
количественных изменений, которые происходят во
время развития организма, органа, ткани или клетки.
Рост любого многоклеточного растения включает такие
процессы, как увеличение числа клеток за счет их деления, а
также увеличение размеров клеток путем растяжения.
Онтогенез 
процесс индивидуального развития организма,
сопровождающийся последовательной сменой его
возрастных этапов.
У растительных организмов выделяют четыре этапа
онтогенеза:
эмбриональный  от зиготы до созревания семени,
вегетативный  от прорастания семени до
образования репродуктивных органов,
генеративный  закладка и формирование
репродуктивных органов, образование плодов и семян,
сенильный  от момента потери способности к
цветению до отмирания.
Основные элементы в механизме морфогенеза растений и
определяющие его факторы
1. Геном – является основной матрицей – носителем информации о том, как растению
сформировать определенные органы и ткани и пройти путь от семени до семени.
2. Эпигенетические факторы, к которым относятся различные типы микроРНК, а также
ферменты, участвующие в модификации ДНК и хроматина.
3. Гормоны  интегральные химические сигналы. Ауксин и его полярные потоки
являются основой для разметки плана строения и формирования органов растения.
Цитокинины и ИУК регулируют пролиферацию клеток, гиббереллины являются одним
из основных факторов регуляции цветения, АБК контролирует процессы покоя, а этилен
– созревания и старения растений.
4. Факторы внешней среды  температура, свет, вода и минеральные элементы 
определяют этапность онтогенеза и влияют на фенотипическое проявление конкретного
генотипа растения.
5. Донорно-акцепторные отношения. Для каждого этапа развития организма характерны
различные акцепторы, к которым от донорных участков передвигаются органические и
минеральные соединения.
6. Позиционная информация, т.е. местоположение клетки в ткани или органе –
определяет ее дифференцировку и будущую специализацию. Поведение каждой клетки
тщательно координируется с поведением соседних клеток в течение всего жизненного
цикла растительного организма.
7. Полярность клеток и тканей – основа для пространственной разметки активности
морфогенетических факторов в растительном организме и, как следствие,
дифференциальной активности генома.
8. Меристемы – поддерживают пул недифференцированных клеток , что является основой
для формирования любых типов клеток и тканей растительного организма.
1. Геном
Центральной проблемой биологии развития является вопрос о том,
каким образом многократное деление всего лишь одной клетки приводит к
формированию организма, обладающего системами органов и тканей,
составленных из клеток, не похожих друг на друга?
Ответ на этот вопрос лежит в дифференциальной экспрессии генов клеток,
составляющих эти ткани и органы.
При этом потенциал конкретного генотипа реализуется в зависимости от условий
среды, в результате чего формируется определенный фенотип растения.
Именно геном является носителем информации о том, как сформировать
определенные органы и ткани и пройти путь от семени до семени.
Именно дифференциальная экспрессия генов на определенных этапах развития
растения обеспечивает последовательное формирование клеток, тканей и органов.
Эти гены кодируют белки - факторы транскрипции, которые осуществляют
непосредственный контроль за формированием органов и тканей растения.
1. Гены-регуляторы (переключатели) развития  кодируют факторы
транскрипции и контролируют программы развития органов и
тканей растений.
У растений наиболее хорошо изучено функционирование двух типов
генов-регуляторов развития: гомеобокс-содержащих и с MADS-боксом.
1.
Гомеозисные гены  определяются по наличию
характерной последовательности ДНК из
приблизительно 180 пар нуклеотидов
(гомеобокса), кодирующей гомеодомен 
консервативный участок белка-транскрипционного
фактора. Примеры: KN1 (KNOTTED1) у кукурузы,
KNAT1, KNAT2 (KNOTTED1-like HOMEOBOX) и
STM (SHOOT MERISTEMLESS ) у арабидопсиса.
Гены KN1, STM и их функциональные аналоги
отвечают за поддержание деления клеток
меристем, репрессируя их дальнейшую
дифференцировку. Эти гены экспрессируются в
апикальных и флоральных меристемах побегов.
2. Гены, содержащие MADS-бокс получили свое название, как производное от четырех генов: MCM1
дрожжей, AG арабидопсиса, DEF львиного зева и SRF млекопитающих . К генам, содержащим MADSбокс, относятся AG (AGAMOUS), DEF (DEFICIENCE), AP1 (APETALA1) и AP3 (APETALA3), TFL1
(TERMINAL FLOWER), PI (PISTILLATA). Гены этого типа регулируют флоригенез и определяют судьбу
клеток в семяпочке; их экспрессия выявлена в зародыше, корнях и листьях. К MADS-бокс генам
относится большинство гомеозисных генов растений.
Транскрипционные факторы
У арабидопсиса имеется более 1600 ТФ, способных активировать (или подавлять)
транскрипцию. Обычно их классифицируют по строению ДНК-связывающих
доменов:
Гомеодомен-содержащие белки. У арабидопсиса выявлено около 90 белков этого типа.
MADS-белки. Это суперсемейство транскрипционных факторов включает более 100 белков.
AP2/ERF (APETALA2/ethylene response factor) суперсемейство включает около 150 белков.
MYB-белки (от myeloblastosis). Это суперсемейство включает около 200 белков.
Белки bHLH (basic helix-loop-helix). В это суперсемейство входит около 140 белков,
Белки типа bZIP (basic leucine zipper), Выявлено около 80 белков этого типа.
NAC-белки.
ARF -семейство транскрипционных факторов включает более 20 белков.
C2H2(Zn)-тип факторов транскрипции насчитывает более сотни белков.
GRAS-тип ТФ включает более 30 белков.
GARP семейство транскрипционных факторов включает более 50 белков.
CCAAT-семейство факторов транскрипции включает более 30 белков.
C2С2(Zn)-белки
ABI3/VP1-белки
Белки WRKY. В растениях риса выявлено около сотни генов, кодирующих WRKY факторы
транскрипции.
В процессе клеточной дифференцировки именно появление нового ТФ является сигналом
для активации (или подавления) транскрипции генов на определенной стадии морфогенеза и
появления необходимых генных продуктов.
2. Эпигенетические
факторы развития
Ген функционирует в некой среде, которая
может оказывать влияние на характер его экспрессии.
Поэтому реализация информации, заключенной в геноме,
будет зависеть
не только от нуклеотидных последовательностей конкретных генов,
но также и от:
внешних условий,
состояния хроматина,
модификаций ДНК и
ее транскриптов,
то есть находиться под эпигенетическим контролем.
Своеобразными «переключателями» программ развития клеток могут также
служить открытые недавно малые РНК.
Эпигенетика изучает стабильные, передаваемые в длинном ряду
клеточных делений и даже в ряду поколений изменения уровня
экспрессии
генов,
не
связанные
с
изменениями
последовательности нуклеотидов в ДНК.
Впервые термин «эпигенетика» был введен выдающимся английским эмбриологом и
генетиком Конрадом Уоддингтоном (Waddington, 1957) для описания наблюдающихся в
ходе развития изменений экспрессии генов.
Многие процессы морфогенеза эукариот могут находиться под эпигенетическим
контролем.
1. Один из наиболее известных эпигенетических феноменов, описанный на кукурузе
Барбарой МакКлинток (1950), — циклическая активность транспозонов.
Он состоит в том, что в ряду поколений происходит периодическое освобождение
транспозонов от гетерохроматинового подавления их активности.
2. Еще одним примером эпигенетической регуляции индивидуального развития
растений является репрессия гена, который кодирует фактор транскрипции FLC
(flowering locus C), ингибирующий цветение .
Репрессия этого гена происходит в процессе вернализации (яровизации).
Репрессия гена FLC, ингибирующего цветение, сохраняется всю жизнь растения
(независимо от того, при какой температуре оно в дальнейшем выращивается).
Эпигенетическая регуляция активности генов проявляется в их долгосрочном глушении.
Примеров стойкого повышения уровня генной экспрессии значительно меньше.
Транскрипционное глушение генов достигается : 1. ремоделированием хроматина,
2. метилированием ДНК и 3. метилированием гистонов.
Эпигенетические механизмы регуляции экспрессии генов реализуются посредством стойких
модификаций хроматина в тех участках, где эти гены расположены. Некоторые из этих
модификаций, например фосфорилирование и ацетилирование, носят динамичный характер и
могут быстро возникать и исчезать. Более статичный характер носит метилирование гистонов.
В ДНК метилированию подвергаются остатки цитозина в положении 5, что приводит к глушению
транскрипции в зоне метилированного промотора.
Гены PHABULOSA
и
PHAVOLUTA
также содержат 5метилцитозин.
Они участвуют в
становлении
дорзовентральной
симметрии листа.
Их
экспрессия
подавляется
только
на
абаксиальной
(нижней) стороне
листа).
Малые РНК растений
Открытие целого мира малых РНК (small RNAs, sRNAs),
регулирующих экспрессию генов, произошло
в конце 1990-ых годов, а в 2006 г. авторам этого
открытия Andrew Fire (Фаер) и Кraig Mello (Мелло)
была присуждена Нобелевская премия.
Малые РНК делятся на два класса: малые интерферирующие
(siRNA - small (short) interfering) и микроРНК (miRNA).
РНК
Малые интерферирующие РНК растений (siRNA)
РНК-интерференция – процесс подавления
экспрессии гена на стадии транскрипции,
трансляции, дезаденилирования или деградации
мРНК при помощи малых молекул РНК.
Малые интерферирующие РНК способны
осуществлять направленную деградацию или
блокировать трансляцию РНК определенной
последовательности и участвовать, таким образом,
в защите клетки от вирусов, репрессии трансгенов
и подавлении экспрессии мобильных генетических
элементов.
Непосредственными предшественниками siRNAs (в отличие от miРНК) являются двухцепочечные
молекулы РНК, которые образуются в результате активности РНК-зависимых РНК-полимераз,
собирающих вторую цепь на одноцепочечной вирусной РНК и на продуктах транскрипции ДНК
транспозонов и трансгенов.
МикроРНК (miRNA)
МикроРНК не кодируют белки и играют
ключевую роль в подавлении экспрессии
генов .
МикроРНК способны комплементарно
связываться с мРНК генов-мишеней, что
приводит или к разрушению этой мРНК
(полная комплементарность), или к
ингибированию трансляции (частичная
комплементарность).
Таким способом микроРНК могут контролировать
уровень экспрессии почти половины известных
генов, кодирующих синтез факторов
транскрипции.
Предполагается, что микроРНК могут являться
своеобразными «переключателями» программы
развития клетки. Как только в одной из дочерних
клеток синтезируются микроРНК, которые
вызывают деградацию соответствующих мРНК,
это приводит к изменению судьбы данной
клеточной линии.
Микро-РНК
1
DROSHA
2
DICER
3
1). закодированы на собственных генах и
синтезируются с помощью
РНК-полимеразы II в первичные транскрипты
длиной около 1000 нуклеотидов - pri-miРНК).
2). В дальнейшем созревании мироРНК
участвует комплекс DROSHA, состоящий из
белка PASHA (связывает микроРНК) и
эндонуклезы DICER (вырезает из первичного
транскрипта pre-miРНК длиной около 100
нуклеотидов).
3). Из pre-miРНК вырезается
двухцепочечный фрагмент
(дуплекс miРНК) длиной 20-24 нуклеотида.
RISC
4
5
4). Дуплекс miРНК переносится в цитоплазму
и вступает во взаимодействие с белком
AGO1 (Argonaut), обладающим активностью
РНКазы Н. AGO являются каталитическим
центром комплекса белков RISC (RNAinduced silencing complex), с которым
происходит связывание miРНК
5). Белок AGO гидролизует одну из цепей
дуплекса и соединяется с другой.
Комплекс miРНК с AGO1 вызывает избирательный
гидролиз мРНК, а комплекс miРНК с AGO4 влиятет на
метилирование хроматина.
МикроРНК могут
регулировать:
Эмбриогенез,
Цветение,
Морфогенез листа,
Развитие семени,
Формирование боковых корней ,
Пролиферацию клеток,
Трансдукцию ИУК-сигнала ,
Морфофизиологическую
полярность.
Обнаружены микро-РНК,
нацеленные на мРНК ферментов.
Содержание микроРНК резко
возрастает в условиях стресса.
Мишени некоторых микро-РНК у арабидопсиса
Семейство микро-РНК
miR159/JAW
Мишени микро-РНК
Семейство белков
Конкретные гены
MYB факторы транскрипции MYB33, MYB65, TCP2, TCP3,
TCP факторы транскрипции
TCP4, TCP10, TCP23
Функции генов
Эмбриогенез
Развитие листа
miR160
ARF факторы транскрипции
ARF10, ARF16, ARF17
Ауксиновая сигнализация,
развитие корня
miR162
Dicer-подобные
DCL1
Процессинг малых РНК
miR164
NAC факторы транскрипции
CUC1, CUC2, NAC1
Определение границ органов
в меристеме, разделение
органов, определение числа
лепестков
miR165/166
HD-ZIP факторы
транскрипции
PHB, PHV, REV
Дорзовентральная симметрия
листа
miR168
ARGONAUTE
AGO1
Процессинг и активность
малых РНК
miR172
Факторы транскрипции,
подобные APETALA2
AP2, TOE1, TOE2, TOE3
Идентификация органов
цветка, время цветения
miR173
miR390
Ta-siRNAs
TAS1, TAS2, TAS3
Избирательное глушение
генов
miR395
АТФ-сульфурилаза
APS3
Регуляция усвоения
сульфатов
miR398
Медь-содержащая
супероксиддисмутаза,
Субъединица V цитохром-соксидазы
CSD1, CSD2, At3g15640
Регуляция окислительного
стресса
miR399
Убиквитинконъюгирующие
E2-UBC
Регуляция избирательного
гидролиза белков в условиях
стресса
Первые 16 miRNA растений были идентифицированы в 2002 г.
На сегодняшний день в базах данных идентифицировано около 5 тыс. микроРНК,
принадлежащих к 42 семействам.
В каждом растении содержатся сотни различных микро-РНК, которые могут
передаваться по симпласту, а также передвигаться по флоэме.
У арарабидопсиса их уровень может достигать до 50 тыс. молекул на клетку.
Предполагается, что 1% генома представлен генами , кодирующими микроРНК,
которые регулируют работу до 30% структурных генов.
У арабидопсиса почти 50% всех известных микроРНК имеют мишенями факторы
транскрипции.
Система регуляции работы генома усложняется еще и тем, что малые РНК влияют
не только на мРНК, но и друг на друга.
Процесс РНК-интерференции играет важную роль не только в защите клеток от
вирусов и транспозонов, но также в регуляции процессов развития и многих
других функций растительных организмов.
Малые РНК (sРНК) выполняют множество ключевых функций у эукариотических
организмов, и поэтому описывать работу генома простой схемой «ДНК — РНК —
белок» уже невозможно.
Помимо генома, процессы роста и развития
растительного организма регулируются также
рядом внутренних и внешних факторов.
К внутренним факторам, регулирующим развитие
растений, относятся гормоны, к внешним 
температура, свет и вода.
3.Фитогормоны
Aaron Santner, Luz Irina A CalderonVillalobos & Mark Estelle
Nature Chemical Biology . 2009, 5 ,
pp 301-307.
4. Факторы внешней среды  температура,
свет, вода и минеральные элементы 
определяют этапность онтогенеза и влияют
на фенотипическое проявление конкретного
генотипа растения.
5. Донорно-акцепторные взаимосвязи
Для каждого этапа развития растительного организма
характерны различные акцепторы (зоны интенсивного роста,
гетеротрофные и репродуктивные органы), к которым от
донорных участков (листья, запасающие ткани и органы)
передвигаются органические соединения.
Донорно-акцепторные отношения имеют важное значение,
например, в процессе клубнеобразования.
Распускающиеся почки являются акцепторами ассимилятов,
которые поступают из зрелых, активно фотосинтезирующих
листьев.
Аттрагирующая способность развивающихся почек
обусловлена высоким содержанием таких гормонов, как ИУК,
цитокинины и гиббереллины.
6. «Позиционная информация»
Очень важным фактором, определяющим направление роста и развития клетки,
является ее местоположение в ткани или органе.
Это
было хорошо показано тонкими экспериментами сотрудников группы
Б.Шереса (B.Scheres) в Нидерландах (Van Den Berg e.a., 1995).
С помощью лазера они последовательно повреждали (удаляли) клетки-инициали в
меристеме корня и следили за судьбой клеток, которые из этих инициалей обычно
образуются.
Оказалось, что при удалении, например, кортикально-эндодермальных инициалей
производимая ими совокупность клеток коры и эндодермы не исчезает.
Клетки перицикла, смежные с поврежденными кортикальными инициалями,
занимали место удаленной инициали и начинали выполнять ее функции,
производя клетки коры и эндодермы.
Эти эксперименты показывают, что именно “позиционные сигналы” определяют
путь развития растительной клетки.
Т.е место клетки в ткани и ее окружение (“позиционная информация”) играют более
важную роль при определении направления дифференцировки, чем тип инициали,
из которой клетка произошла.
7. Полярность
клеток и тканей
растительных
организмов
Под полярностью понимают
специфическую ориентацию (поляризацию) активности в пространстве.
Полярность также можно определить, как существование функционально
значимых асимметричных структур, образующихся в ответ на действие
векторизованных стимулов (внешних или внутренних).
Процессы
поляризации
и
возникающие
при
этом
градиенты
морфогенетических факторов являются основой для дифференциальной
активности генома и дифференцировки клеток и тканей растения.
(по: Belanger, Quatrano, 2000)
В любом многоклеточном организме
деятельность отдельных органов, тканей и
клеток должна быть скоординирована таким
образом, чтобы обеспечить функционирование
организма как целого.
Одним из наиболее существенных элементов
целостности и является полярность, то есть
осевая или аксиальная (от англ. аxis – ось)
организация растений в пространстве.
Осевая, или аксиальная полярность,
предполагает наличие хорошо развитой
продольной оси, несущей латеральные органы
– боковые ветви и корни, листья и цветы.
Вследствие аксиальной организации в процессе
роста не происходит образования
бесформенной массы живого вещества. Вдоль
осей и симметрично по отношению к ним
происходит закладка всех органов и тканей
растения.
Именно полярность служит тем инструментом, с
помощью
которого
осуществляется
разметка
(паттернирование) формирующихся органов и тканей
растения и создания специфической трехмерной
структуры организма.
Благодаря
полярной
организации
растения
способны ориентироваться по отношению к вектору
силы тяжести и другим векторным воздействиям, что
обеспечивает адекватную реакцию на различные
раздражители.
У структур, обладающих радиальной симметрией,
проявляется радиальная полярность.
Закладка листовых
примордиев
Формирование клеток и тканей корня
Формирование
органов цветка
Все органы цветка закладываются,
как мутовки, т.е. расположены в
виде концентрических кругов
вокруг цветковой меристемы.
(Sussex, 1989)
При формировании
физиологической оси
полярности (симметрии)
у высших у растений
наиболее существенное
значение имеют:
1.
2.
3.
4.
5.
5.
6.
Полярный транспорт фитогормона ИУК
Градиенты биоэлектрических потенциалов
Полярные потоки и градиенты и ионов кальция
МикроРНК
ROP-белки (Rho ГТФазы растений)
Актиновые и тубулиновые элементы цитоскелета
Сборка и разборка элементов клеточной стенки
Градиенты
биоэлектрических
потенциалов
Через 30 мин после
оплодотворения у зиготы Fucus
происходит “электрическая”
поляризация клетки - появляется
трансцитоплазматический ток,
входящий в область будущего
ризоида и выходящий с
противоположной стороны, где
будет формироваться таллом.
Аксиальные гpадиенты БЭП
pегистриpируются вдоль
прорастающей пыльцы,
растущего корневого волоска и
кончика корня.
Поверхность зоны растяжения
электроотрицательна, а
меристема и зона корневых
волосков заряжены
положительно.
(по: Fensom, 1959; Bentrup, 1984)
Плотность электрических
токов вокруг
дифференцирующихся
эмбриоидов дикой
моркови.
На стадии глобулы вокруг
зародыша регистрируется
электрическое поле со
специфическим рисунком
силовых линий, который
сохранялся на протяжении
всего развития. Наибольшая
плотность входящего тока - в
зонах формирующихся
семядолей.
Максимум выходящего тока в области закладки
апикальной меристемы
корня.
Т.о. в процессе дифференцировки зиготы и зародыша, а также ризогенеза возникают
электрические токи и формируется специфический рисунок силовых линий.
Этот «электрический» рисунок может служить интегральной характеристикой процессов
поляризации в ходе роста и формирования органов и тканей растения.
Дорсовентральная (адаксиальная-абаксиальная) полярность
выражается в различиях между верхней и нижней сторонами листьев.
МикроРНК, относящиеся к семейства miR165 и miR166
глушат гены PHABULOSA/ PHAVOLUTA/ REVOLUTA,
кодирующие факторы транскрипции семейства HD-ZIP,
необходимые
для
становления
дорзовентральной
симметрии листа.
Глушение достигается посредством разрыва мРНК
соответствующих генов. У PHABULOSA и PHAVOLUTA,
кроме того, происходит метилирование ДНК.
Полярный транспорт ИУК
Из всех фитогормонов, только для ИУК
характерно ярко выраженное полярное
передвижение по тканям растительного
организма.
Градиенты концентрации ИУК, создавая
позиционную информацию, действуют как
мощнейший морфогенетический фактор и
являются
главным
элементом,
обеспечивающим формирование осей
симметрии у высших растений.
Процесс активного полярного транспорта
ауксина
контролирует формирование
побегов и почек, филлотаксис и опадение
листьев,
цветение
и
тропизмы,
формирование сосудистой системы и
боковых корней, эмбриогенез и паттерн
сосудов листа.
(M. Gersani, T. Sachs, 1984)
8. Меристемы 
популяции небольших клеток с «эмбриональными» свойствами. Меристемы
различают по местоположению в растении, происхождению и структурам,
которые они могут продуцировать.
Апикальные (первичные) меристемы корня и побега.
Первичные латеральные меристемы  перицикл и прокамбий.
Вторичные латеральные меристемы  камбий и феллоген (пробковый камбий).
Интеркалярные (вставочные) меристемы  активно растущие группы клеток,
расположенные у основания междоузлий стебля (являются
недифференцированными «остатками» апикальных меристем).
Основная роль меристем  формирование органов растения.
Вегетативные меристемы дают начало не только органам и тканям, но также
постоянно пролиферируют сами. У древесных растений меристемы могут
находиться в «эмбриональном» состоянии тысячи лет.
Клетки-инициали  группы клеток, которые
делятся, чтобы продуцировать другие клетки,
дающие начало органам и тепням (как
стволовые клетки животных).
.
Когда клетка-инициаль делится, одна из
дочерних клеток остается в меристеме, а
вторая начинает быстро делиться и
дифференцироваться, давая начало
различным органам и тканям растительного
организма.
Основные элементы в механизме морфогенеза растений и
определяющие его факторы
1. Геном – является основной матрицей – носителем информации о том, как растению
сформировать определенные органы и ткани и пройти путь от семени до семени.
2. Эпигенетические факторы, к которым относятся различные типы микроРНК, а также
ферменты, участвующие в модификации ДНК и хроматина.
3. Гормоны  интегральные химические сигналы. Ауксин и его полярные потоки
являются основой для разметки плана строения и формирования органов растения.
Цитокинины и ИУК регулируют пролиферацию клеток, гиббереллины являются одним
из основных факторов регуляции цветения, АБК контролирует процессы покоя, а этилен
– созревания и старения растений.
4. Факторы внешней среды  температура, свет, вода и минеральные элементы 
определяют этапность онтогенеза и влияют на фенотипическое проявление конкретного
генотипа растения.
5. Донорно-акцепторные отношения. Для каждого этапа развития организма характерны
различные акцепторы, к которым от донорных участков передвигаются органические и
минеральные соединения.
6. Позиционная информация, т.е. местоположение клетки в ткани или органе –
определяет ее дифференцировку и будущую специализацию. Поведение каждой клетки
тщательно координируется с поведением соседних клеток в течение всего жизненного
цикла растительного организма.
7. Полярность клеток и тканей – основа для пространственной разметки активности
морфогенетических факторов в растительном организме и, как следствие,
дифференциальной активности генома.
8. Меристемы – поддерживают пул недифференцированных клеток , что является основой
для формирования любых типов клеток и тканей растительного организма.
Онтогенез 
процесс индивидуального развития организма,
сопровождающийся последовательной сменой его
возрастных этапов.
У растительных организмов выделяют четыре этапа
онтогенеза:
эмбриональный  от зиготы до созревания семени,
вегетативный  от прорастания семени до
образования репродуктивных органов,
генеративный  закладка и формирование
репродуктивных органов, образование плодов и семян,
сенильный  от момента потери способности к
цветению до отмирания.
Эмбриогенез
у растений начинается с оплодотворения яйцеклетки и завершается
созреванием семени. В течение эмбриогененза происходит формирование
зародыша и семени.
Все процессы эмбриогенеза происходят в семязачатке.
При эмбриогенезе происходит дифференцировка клеток, из которых при
переходе к стадии проростка возникают ткани и органы растения.
Процесс формирования зародыша характеризуется последовательными
изменениями скорости и направления деления клеток,
дифференциацией клеток и тканей, формированием органов и
накоплением питательных веществ.
Перемещения клеток (как у животных организмов) у растений при этом не
происходит.
1)
2)
3)
4)
У цветковых растений выделяют три специфических для
эмбриогенеза группы генов:
гены раннего эмбриогенеза
гены, экспрессирующиеся на этапе “созревания” зародыша
гены, экспрессирующиеся в позднем эмбриогенезе и
захватывающие прорастание семени.
При эмбриогенезе также экспрессируются гены “домашнего
хозяйства” (от англ.  house-keeping), которые постоянно
(конститутивно) функционируют во всех клетках в течение всего
онтогенеза растительного организма.
Гены раннего эмбриогенеза: GURKE, FACKEL, MONOPTEROS и GNOM .
(Torres-Ruiz et al., 1996; Berleth, Jürgens, 1993; Mayer et al.,
При мутации gurke отсутствуют семядоли
1993)и повреждаются апикальная меристема.
При мутации fackel выпадает середина зародыша.
Мутация monopteros приводит потере корня и гипокотиля  остаются только
семядоли.
При мутации gnom не образуются корни и семядоли, проростки теряют апикальнобазальную полярность и имеют сферическую форму.
Т.о. продукты генов GURKE, FACKEL, MONOPTEROS и GNOM контролируют
закладку органов растения и определяют апикально-базальную симметрию
зародыша.
Экспрессия “эмбриональных генов” пространственно-специфична.
Гены, контролирующие ранние и поздние стадии эмбриогенеза:
RASPBERRY, LEAFY COTYLEDON (LEC1 и LEC2), FUSCA (FUS3).
Транспорт ИУК - эмбриогенез
В течение эмбриогененза
закладываются три основных
элемента, на базе которых в
дальнейшем будет строиться
растительный
организм:
1. апикально-базальная ось
симметрии  основа разметки
общего плана строения растения
2. радиальная ось симметрии 
основа для развития растения в
радиальном направлении
3. первичные меристемы  основа
для формирования органов в
течение последующих этапов
онтогенеза растения.
В течение эмбриогененза происходит
формирование зародыша и семени.
Семя служит функциональной единицей
размножения растения. Семя представляет
собой созревший семязачаток, содержащий
зародыш и запас питательных веществ.
Состояние покоя
Созревание зародыша и семени завершается тем, что ткани начинают
терять воду, уменьшается их метаболическая активность и наступает
период покоя.
Различают покой физиологический и вынужденный.
Причиной вынужденного покоя являются факторы
внешней среды, которые препятствуют прорастанию
семян.
Физиологический покой определяется балансом
эндогенных ингибиторов (АБК) и активаторов роста
(гиббереллины, цитокинины).
Для выхода семян из покоя необходимы
определенные влажность, температурный и световой
режимы.
Вивипария у мутанта
по синтезу АБК vp1
Выделен ряд мутантов с нарушением покоя семян,
которые прорастают прямо на материнском растении.
К таким мутантам, называемым живородящими, относят
vp2  vp9 (viviparous) у кукурузы и aba (abscisic acid) у
арабидопсиса. Их характерной особенностью является
низкое содержание АБК.
Вегетативный этап
развития
1)
2)
3)
4)
включает:
прорастание семени или органов
вегетативного размножения
(клубней, луковиц)
формирование вегетативных органов
(листьев, стеблей, корней)
новообразование клеток, тканей и
органов
их рост и увеличение в размерах
Генетический контроль апикальной меристемы побега
STM, KNAT1
Поддержание клеток меристемы в
недифференцированном
состоянии:
WUSHEL (WUS)
CLAVATA complex (CLV)
Регуляция дифференцировки
клеток в меристеме:
SHOOTMERISTEMLESS (STM)
KNOTTED 1 (KNAT1)
STM
cotyledons
CLV
WUS
KNAT1
Генетический и гормональный контроль развития
апикальной меристемы побега
(по Vandenbussche, Van Der Straeten, 2004, с изменениями)
Формирование клеток и тканей корня
В меристеме выделяют группы клеток, называемые инициалями, которые
делятся, чтобы продуцировать клетки, дающие начало органам и тканям.
После деления клетки-инициали, одна из дочерних клеток остается в
меристеме, а вторая дифференцируется, давая начало органам и тканям
растиния.
Транспорт ИУК
в корне
(по Dhonukshe et al., 2005)
Полярные потоки ауксина в кончике корня
арабидопсиса,
контролируемые
белкамипереносчиками PIN1, PIN2, PIN3 и PIN4 (по
Dhonukshe et al., 2005). Стрелками указано
направление транспорта ИУК
Формирование сосудов
Транспорт ИУК
Изменение направления и
интенсивности
формирования сосудов у
гипокотилей фасоли при
изменении (хирургическим
путем)
направления
полярного транспорта ИУК
(Gersani, Sachs, 1984).
Генеративный этап
развития растения
охватывает период от закладки
и формирования органов
размножения до образования
семян, плодов и органов
вегетативного размножения.
Процесс размножения растений
обеспечивает непрерывность
существования вида и
заключается в воспроизведении
себе подобных организмов и их
расселении.
В течение вегетативного роста
накапливается вегетативная
масса, необходимая для
формирования цветков, плодов
и семян.
Формирование цветков
Процесс цветения включает
1.
2.
3.
4.
5.
6.
несколько этапов:
Индукция цветения внешними или
внутренними стимулами.
Транспорт флорального стимула.
Эвокация цветения  необратимые
процессы, происходящие в апикальной
меристеме побега, которые приводят к
формированию репродуктивных органов.
Возрастает частота деления клеток в
меристеме, увеличивается ее объем и
изменяется форма - меристема
приобретает куполообразную форму.
Формирование цветковых
меристем.
Закладка, рост и развитие
органов цветка (т.е. цветение).
Формирование женского
(зародышевый мешок с яйцеклеткой)
и мужского (пыльца) гаметофитов.
АМП
ЦМ
АМП – апикальная меристема побега
ЦМ - цветковая меристема
Процессы развития цветка регулируются тремя группами генов.
К первой группе относятся гены, которые определяют время индукции цветения; их активность контролируется
сигналами внешней и внутренней среды.
Вторая группа генов, называемая генами идентичности меристем, отвечает за формирование флоральной
меристемы.
Третья группа генов — гены идентичности органов цветка отвечает за формирование органов цветка.
Факторы индукции
цветения делятся
на эндогенные
(внутренние) и
экзогенные (внешние).
Внешними факторами,
индуцирующим переход
к цветению, являются
фотопериод и
температура.
К эндогенным факторам
цветения относятся
фитогормоны
Строение апикальной части генеративного
побега арабидопсиса
фото Grbic, Nelson, Himelblau)
(
(гиббереллины и
цитокинины, ауксины),
а также полиамины
(путресцин, спермидин и
спермин).
Гиббереллины стимулируют превращение генеративной меристемы в
цветковую. Мишенями гиббереллинового сигнала в процессе развития
цветка являются флоральные гомеозисные гены AP3 и AG .
Четыре типа сигнальных путей, инициирующих цветение
1. Фотопериодический путь инициации
цветения. Важнейшим фактором, который
влияет на переход растительного организма к
генеративному этапу развития, является
фотопериод, т. е. относительная
продолжительность светлого и темного
времени суток.
2. Холодовой путь инициации цветения.
Важным внешним фактором, влияющим на
цветение, являются низкие положительные
температуры.
Воздействие
последних
в
течение определенного времени (яровизация,
или
вернализация)
необходимо
для
формирования флорального стимула у озимых
форм растений и способствует последующему
ускорению их развития и зацветания.
3.
Автономный
путь
инициации
цветения. В этом пути индукции цветения
участвуют такие гены, как FCA (FLOWERING
TIME CONTROL LOCUS A), FY (FLOWERING
LOCUS Y) и др., мутации в которых
вызывают задержку цветения независимо
от
фотопериода.
Продукты
генов
автономного пути ускоряют зацветание,
подавляя экспрессию гена FLC.
(по Lee et al., 2006, с изменениями)
4. Гиббереллиновый путь. Установлено, что гиббереллины способны стимулировать превращение генеративной
меристемы в цветковую. Гиббереллин-зависимый путь инициации цветения становится основным в условиях
короткого дня. Гиббереллин индуцирует цветение, активируя транскрипцию гена LFY, который является
ключевым на втором этапе развития цветка — на этапе детерминации флоральной меристемы.
1. Фотопериодический путь инициации цветения
(Amasino, 1998)
Фотопериод - относительная продолжительность светового и темнового времени суток.
Короткодневными называют растения, у которых цветение индуцируется «коротким днем».
Длиннодневными называют растения, у которых зацветанию благоприятствуют «длинные дни».
Нейтральными (к длине дня) называют виды растений, у которых «длина дня» не оказывает
существенного влияния на цветение.
Главную роль в восприятии фотопериодического стимула играют фоторецепторы синего и
красного света, соответственно, криптохромы и фитохромы
Перцепция длины дня осуществляется с
помощью фактора транскрипции, который
кодируется геном CONSTANCE (CO).
Экспрессия СО осциллирует в циркадном
режиме, а мутант со не зацветает при
создании необходимого фотопериода.
(по Zeevaart, 2008).
Сверхэкспрессия гена СО
индуцирует цветение
арабидопсиса даже на
коротком дне.
Белок СО очень нестабилен и при недостатке
света быстро разрушается.
Только при "длинном дне" его экспрессия
повышается настолько, что белка
накапливается в листе достаточно для
активации экспрессии последующих генов и
переходу к цветению.
Одним из таких генов является FLOWERING
LOCUS T (FT). Сверхэкспрессия FT
(независимо от фотопериода) приводит
быстрому зацветанию.
Эти факты указывают, что именно FT
является тем флоригеном, существование
которого предположил М. Х. Чайлахян еще в
1937 г.
После синтеза в листе, FT передвигается в апикальную меристему побега, где образует
гетеродимер с bZIP-типом фактором транскрипции FD (FLOWERING LOCUS D).
Главными мишенями FT/FD является ген SOC1 (SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CO1) и ген
AP1 (APETALA1).
Повышение экспрессии SOC1 активирует ген LFY (LEAFY), кодирующий транскрипционный фактор,
который определяет переход апикальной меристемы побега во флоральную меристему.
Экспрессия гена идентичности цветковых меристем AP1 запускает процессы формирования
органов цветка.
2. Холодовой путь инициации цветения
Вторым важным фактором, влияющим на цветение, являются
низкие положительные температуры, воздействие которых в
течение определенного времени (яровизация или
вернализация) необходимо для формирования флорального
стимула у озимых форм растений.
У озимых форм растений именно холодовая обработка способствует
последующему ускорению их развития и зацветания.
Яровыми называют растения, не нуждающиеся в яровизации.
Для яровизации (вернализации) необходимыми условиями
являются:
1) наличие делящихся клеток
(в зародыше, апикальных меристемах, молодых листьях) и
2) холодовая обработка в диапазоне температур от 1 до 5оС в
течение 13 мес.
Для растений южных широт эти температуры могут превышать 10оС.
Сигнальные пути инициации цветения, формирование флоральных меристем и органов цветка
Гены,
контролирующие
развитие цветка:
1. Гены,
определяющие время
индукции цветения.
2. Гены идентичности
меристем - отвечают
за превращение
генеративной
меристемы
в цветковую.
У мутантов по этим
генам вместо
цветков развиваются
побегоподобные
структуры или
цветки, похожие на
побеги.
3. Гены
идентичности
органов цветка
контролируют
процессы
формирования
органов цветка.
(по М. Blázquez, 2000,
с изменениями)
GID1 — рецептор гиббереллинов, MYB33 — ГК-зависимый фактор транскрипции, NAP
(NAC-like, activated by AP3/PI), SHP1и SHP2 (SHATTERPROOF1 и 2) — мишени АВС-генов
(M.A.Blazquez, J Cell Sci., 2000, 113, 3547).
Гены идентичности меристем
Молекулярным интегратором, обеспечивающий связь
глобальных внешних событий и локальных процессов,
происходящих при формировании цветка является ген LEAFY
(LFY). Изменения освещенности, температуры, содержания
питательных веществ, а также гормонального фона напрямую
влияет экспрессию гена LFY.
LEAFY – ген идентичности флоральной меристемы у
арабидопсиса. Его экспрессия необходима и достаточна для
превращения недифференцированных побегов в цветки.
Сверхэкспрессия LFY ведет к экспрессии генов идентичности
органов цветка (AP1, AP2, Pl и AG) и превращению
недифференцированных побегов в цветки.
Белок LEAFY представляет собой транскрипционный фактор,
который определяет переход меристемы побега во
флоральную меристему.
Экспрессия гена TFL1 угнетает
формирование флоральных
меристем.
Еще одним геном
идентичности
меристем
является
TERMINAL
FLOWER1 (TFL1)
Гены идентичности органов цветка
У растений арабидопсиса выявлено 16 генов, экспрессия которых
определяет специфичность органа цветка. Мутации по этим генам
приводят к трем различным фенотипам.
У мутантов по гену APETALA2 вместо чашелистиков формировались
плодолистики (пестики), а вместо лепестков  тычинки.
Мутации в генах PISTILLATA и APETALA3 приводили к образованию
плодолистиков вместо тычинок и чашелистиков вместо плодолистиков
(карпел).
Мутации по гену AGAMOUS вызывали образование лепестков вместо
тычинок и чашелистиков вместо плодолистиков (карпел).
Схема закладки органов цветка из флоральной
меристемы двудольного растения (Sussex, 1989)
Цветковые меристемы дают начало четырем органам цветка: чашелистикам, лепесткам
венчика, тычинкам и плодолистикам (пестику).
Все органы цветка закладываются, как мутовки, т.е. расположены в виде концентрических
кругов вокруг цветковой меристемы.
Гомеозисные функции генов идентичности органов цветка
Генетический анализ этих мутаций показал, что гены, контролирующие
формирование органов цветка, разделяются по трем гомеозисным функциям
А, В и С.
Функция А связана с проявлением активности генов APETALA2.
Функция В определяется экспрессией генов APETALA3 и PISTILLATA.
Функция С зависит от активности гена AGAMOUS.
Эти положения легли в основу АВС-модели формирования органов цветка:
Согласно АВС-модели для формирования четырех
органов цветка вполне достаточно трех гомеозисных
функций, которые были названы А, В и С.
В первой мутовке в результате гомеозисной
активности А формируются чашелистики (Ч).
Совместное действие активностей А и В во второй
мутовке приводит к формированию лепестков (Л).
В третьей мутовке при взаимодействии гомеозисных
функций В и С появляются тычинки (Т).
И, наконец, из-за проявления гомеозисной активности С
в четвертой мутовке формируются плодолистики
(пестик, П). Модель предполагает, что гомеозисные
функции А и С являются антагонистами.
АВС-модель
развития цветка (Parcy et al., 1998).
Фенотипическое проявление тройной мутации  apetala2, pistillata и
agamous у арабидопсиса (Weigel, Meyerowitz, 1994).
а  цветок дикого типа, б  цветок тройного мутанта АВС.
В 2002 году к традиционной модели АВС была добавлена функция E.
У арабидопсиса эту функцию выполняет ген SEPALLATA (SEP), продукты которого в
(как кофакторы) контролируют идентичность трех внутренних кругов.
Е
АВС-модель с участием гомеозисной функции Е
Вегетативное размножение  это бесполое воспроизведение
растений за счет обособления частей материнского организма.
Вегетативное размножение основано на регенерации, т.е. способности
растения восстанавливать целый организм из отдельных частей тела и даже
из отдельной вегетативной клетки.
В результате появляются генетически однородные группы особей  клоны.
Вегетативное размножение
является одной из типичных
особенностей, которые отличают
растительные организмы от
животных.
Растения могут размножаться отводками, корневыми отпрысками,
луковицами, клубнями, отчленением частей родительской особи.
Новые почки, а из них побеги могут возникать на самых различных органах
растения - на корнях, стеблях, листьях, частях цветка и плода.
Отводки, т.е. побеги, связь которых с материнским растением
поддерживается до того момента, пока они не укоренятся (кустарники).
Существует размножение растений плетями  у видов с ползучим
стеблем, образующим корни в месте контакта с почвой,
усами, представляющими видоизмененные стебли, из каждой почки
которых образуется новое растение.
луковицами,
клубнями, корневыми клубнями и корневищами.
Широко распространено размножение растений
Лук, чеснок, тюльпаны, лилии, гиацинты эффективно размножаются
луковицами; картофель и топинамбур  клубнями; батат  корневыми
клубнями; мята, ландыш, пырей и бамбук  корневищами.
При повреждении растений распространено образование побегов из спящих
почек в нижней части ствола (пневая поросль), а во-вторых, из
адвентивных почек на поврежденных корнях у поверхности почвы
(корневые
побеги).
Сенильный этап развития
Cенильный (от англ. senile – старческий) этап развития включает период от полного прекращения
плодоношения до естественного отмирания растений.
Старение выражается в прогрессирующем нарушении синтеза макромолекул и систем
регуляции организма, накоплении токсичных и инертных в химическом отношении
продуктов, постепенном угасании отдельных физиологических функций.
Старение контролируется геномом, гормонами, фотопериодом и температурным
режимом. Активируется синтез гормона этилена, который ускоряет процессы старения,
тормозят старение гормоны цитокинины.
Старение представляет собой серию упорядоченных цитологических и биохимических событий.
В стареющих тканях идут процессы катаболизма, которые требуют синтеза de novo
гидролитических ферментов. Для синтеза этих ферментов старения необходима активация
специфических генов.
Гены, экспрессия которых индуцируется при старении, называют SAGs (senescence associated
genes). Продуктами этих генов являются гидролитические ферменты – как протеазы,
рибонуклеазы, липазы. К этим генам также относятся те, которые кодируют ферменты,
участвующие в синтезе гормона этилена.
Гены, экспрессия которых снижается при старении, называют SDGs (senescence down-regulated
genes). К ним относятся прежде всего гены, которые кодируют белки, участвующие в
фотосинтетических процессах.
В то время когда нарушается функционирование одних органелл (хлоропласты) нарушается, другие
(ядро) остаются структурно и функционально активными до самых последних стадий старения.
Gan, Amasine, 1997