Начало формы БОГУСПАЕВ К.К. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ

БОГУСПАЕВ К.К.
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ МОРФОГЕНЕЗА ЗЛАКОВ
(Обзор)
(КазНУ им.аль-Фараби, Институт проблем биологии и биотехнологии)
В обзоре приведены современные представления о генетической регуляции
морфогенеза у злаков в зависимости от среды. Освещены проблемы и достижения в
исследовании двух групп гомеозисных генов -переключателей развития: гомеобокс-генов
и MADS-бокс генов и их участие в процессе регуляции морфогенеза.
Введение
Исследования в области морфогенеза растений приобрели в последнее время особую
актуальность. Активно развивающиеся направления генетической инженерии для создания
новых форм растений, требуют фундаментальных знаний и исследований в области
биологии развития растений в том числе изучение генетической регуляции морфогенеза in
vivo и in vitro. Особое внимание уделяется роли конкретных генов в становлении структуры
и функции растений. Исследуются вопросы, какие гены и с помощью каких механизмов
инициируют, направляют и регулируют морфогенез от оплодотворения и до созревания
зародыша и от прорастания семян до образования гамет.
Методы исследования генетической регуляции развития растений
Установление последовательности морфологических и молекулярных событий в
процессе развития проводят путем сравнения растений дикого типа с серией мутаций,
приводящих к внешне различимым изменениям в фенотипе. Для этого проводят анатомоморфологические исследования развития растений с использованием конфокальной
микроскопии, позволяющей проводить прижизненные наблюдения [1]. Этот подход
позволяет определить место нарушений, вызванных той или иной мутацией в процессе
развития, подготовить и провести дальнейший молекулярный анализ данной мутации.
Например, путем анализа генетических дефектов удалось определить место ферментов участников в метаболитичеких путях биосинтеза двух важнейших гормонов у кукурузы и
идентифицировать эти ферменты. В этом случае были получены мутации по генам
viviparous (vp2, vp5, vp7-vp10), проявление которых является израстание преждевременное прорастание семян в початке. Такое явление (отсутствие состояния
покоя у зародышей) обусловлено снижением уровня абсцизовой кислоты вследствие
повреждения ферментов ее синтеза. Один из этих ферментов -фитоендесатураза соответствует мутации (гену) vp5 [2]. Основные проявления мутаций anther ear и dwarf (an1,
d1, d3, d5, и d8) - карликовость - (укороченные междоузлия) и присутствие тычинок в
женском соцветии.
Проявления всех этих мутаций, кроме d8 снимаются геббереловой кислотой. Это подтверждает, что гиббериллин-зависимые мутации контролируют различные ферменты, участвующие в синтезе этого гормона. Природа двух из известных мутаций, к настоящему
време-ни, уже установлена: продукты экспрессии генов anI и d3 действительно оказались
фермен-тами синтеза гиббериллинов: энт-кауренсинтетазой А и одним из цитохромов Р450
[3].
Следующий метод: сравнительный анализ продуктов экспрессии генов на
последователь-ных этапах развития, который позволяет оценить пространственновременную регуляцию работы генов. В качестве доказательства дифференциальной
экспрессии генов представлены тканеспецифи-ческие белки [4]. В последнее время
появилась возможность непосредственно проследить за процессом синтеза
индивидуальных мРНК и продуктов их трансляции, а также локализовать специфичную
экспрессию генов в клетках и тканях in situ путем гибридизации мРНК с зондами
антисмысловой РНК или выявления белков меченными антителами. Примером может
служить эксперименты по локализации экспрессии гомеобокес-генов в стеблевой
меристеме злаков [5, 6, 7].
Структурно-функциональный анализ генов развития основан на установлении первичной
структуры исследуемого гена. Этот метод используется, если в результате мутации
имеется фенотипическое проявление гена, который можно картировать с помощью
морфологических или молекулярных маркеров. Далее ген клонируют и определяют его
первичную структуру и кодируемого им белка. Иногда этой информации в сочетании с
фенотипическими проявлениями мута-ции достаточно, чтобы установить молекулярную и
физиологическую функцию гена. Однако, во многих случаях необходимо также определить
место и время экспрессии гена в процессе развития [8].
Известно, что многие гены очень медленно изменяются в процессе эволюции. Такой
консерватизм генов позволяет использовать для анализа библиотек кДНК гомологичные
гены, уже исследованные у других видов растений, или искать сходные нуклеотидные
последовательности в генетических базах данных и судить о функции генов по аналогии с
уже изученными генами. Наиболее известными примерами такого подхода служат
исследование генов- переключателей развития: гомео-бокс-генов и MADS -бокс генов у
кукурузы, арабидопсиса (Arabidopsis thaliana) и львиного зева (Antirrhinum majus) и
исследование соответствующих белков, кодируемых этими генами [10, 11, 12]. Следует
пояснить, что название MADS - бокс генов дано по первым буквам четырех очень сходных
генов у различных организмов: гена Minichromosome maintenance у дрожжей, гена Agamous
у арабидопсиса, гена Deficiens у львиного зева и гена Serum response factor у человека.
Имея необходимую информацию, можно сравнить функции этих генов в разных тканях и
рассмотреть их эволюцию у различных таксономических групп растений.
В последующем, когда ген клонирован, важную информацию о его функции может дать
трансформация растений. Функция гена изменяется даже при переносе в собственное
(родное) растение, если заменить специфичный промотор на неспецифичный или встроить
ген в новое окружение. Трансформация часто обнаруживает новые проявления уже хорошо
изученных генов, примером может служить эктопическая экспрессия гомео-бокс генов в
растениях кукурузы и в трансгенных растениях арабидопсиса и табака [13, 14].
Необходимо подчеркнуть основополагающую роль мутаций в исследовании процессов
развития. Видимая невооруженным взглядом или в микроскоп мутация- это первое
указание на присутствие нового гена, отвечающего за специфическую структуру или
функцию. Генетический анализ позволяет определить этот ген. Физиологический анализ с
потерей функции позволяет предположить, какие именно процессы развития контролирует
ген, затронутый мутацией. Наконец, биохимический и молекулярно-генетический анализ
позволяет установить строение и функции гена.
Гены, регулирующие развитие апикальных меристем
Термин гомеозисные мутации был введен Бэтсоном более ста лет назад для
обозначенья генов, определяющих тип строения того или иного органа. Генетические
исследования эмбриогенеза у дрозофилы, мыши и человека показали, что такие гены
отвечают за пространственно-временную регуляцию развития. Многие из этих генов
кодируют белки, содержащие характерный гомеодомен (гомеобокс), узнающий различные
участки ДНК, и такие белки выполняют функции регуляторов транскрипции [17].
Гомеобокс-ген kn1 и его гомологи были первыми гомеозисными генами, идентифицированными в растениях в качестве транскрипционных регуляторов. Среди гомеобок-генов
подробнее других исследована большая группа генов knottex homeobox (knox),
представители которой уже упоминались в связи с эмбриогенезом и регуляцией
деятельности апикальной меристемы стебля [18, 19, 21]. Сравнительный анализ
последовательностей ДНК и белков, кодируемых этими генами, позволил выделить два
класса генов knox [22]. Аминокислотные последовательности консервативного
гомеодомена kn1 и других генов класса 1 (например, lg3, lg4 и rs1 кукурузы, ash1 риса,
hvknox3 ячменя, stm1 и knat арабидобсиса) гомологичны на 73-89%. Для генов knox второго
класса степень гомологии не превышает 55-58%, однако, внутри этого класса гомеодомены
различаются значительно меньше. Еще более далекими гомологами (26-37% гомологии) с
kn1 являются другие гены, кодирующие гомеодомены, содержащие факторы транскрипции,
характерные для недифференцированных меристем стебля и корня кукурузы [22].
Филогенетический анализ гомеобокс-генов [23] и MADS-бокс генов [24] свидетельствует об
активной дивергенции транскрипционных регуляторов у цветковых растений.
Предполагается, что отбор сохраняет сходные гены или блоки генов, прежде всего в
случае плейотропного проявления их активности [25], т.е. отбираются гены, которые
проявили дивергенцию функций, что, обеспечило пластичность развития растений и,
следовательно, адаптацию к меняющимся условиям окружающей среды.
Генетическая регуляция определения пола
Наследование пола и определение структур, в которых проявляется половые различия у
растений, одна из сложных проблем генетики и одна из важных проблем морфогенеза
растений. У животных в большинстве случаев наблюдается четкая половая
дифференциров-ка, и случаи, когда мужские и женские гаметы образуются одним
организмом, сравнительно редки. Однако, среди растений обоеполые формы встречаются
гораздо чаще, чем раздельнополые. У высших форм тычиночные и пестичные цветки могут
быть обособлены, находясь на одном и том же растении (однодомные виды), или же цветки
могут быть обоеполыми или гермафродитными. Однако, существует немало видов, у
которых женские и мужские половые органы развиваются на разных индивидуумах
(двудомные растения) [26]. В определении пола у растений среда играет очень важную
роль. У однодомных покрыто-семенных отношение числа тычиночных цветков к пестичным
или к обоеполым цветкам, которые иногда встречаются на таких растениях, нередко
зависит от длины дня или от росто-вых веществ или же является выражением стадийности
в развитии растения. Поэтому про-блема проявления пола у растений скорее относится к
области развития, нежели генетики. Хотя в большинстве случаев половые различия имеют
определенную генетическую основу, широкое разнообразие их проявления сильно
усложняют генетический анализ. Литература по этому вопросу очень обширна и составляет
отдельную тему. Следует только отметить, хромосомная теория определения пола у
растений наталкивается на целый ряд осложнений, и большинство попыток
проанализировать половые различия относятся к изучению двудомных растений. В
заключении следует отметить, что основные усилия ученых будут направлены на изуче-ние
гомеозисных генов, которым отводится ключевая роль в пространственно временной
регуляции процессов морфогенеза. Особое внимание привлекают гены-переключатели,
кодирующие факторы транскрипции, прежде всего гомео-бокс-гены и MADS-бокс гены.
Активно исследуются гены, контролирующие общие процессы деления и растяжения
клеток, и гены рецепторы гормонов и эффекторов внешней среды [27]. Успехи генетических
исследований морфогенеза растений в последнее время позволяют надеяться, что многие
проблемы будут разрешены в ближайшее время.
ЛИТЕРАТУРА
1. Коваленко О.В. Генетические аспекты морфогенеза растений // Успехи
современной биологии. 1993. Т.113. Вып.3. С.269-285.
2. Smith L.G., Hake S. Molecular genetic Approaches to leaf Development: Knotted and
Beyond // Can. J. Bot. 1994. V.72. P.617-625.
3. Neuffer M.G., Coe E.H. Wessler S.R. Mutant of Maize. Planview; N.Y.: Cold Spring
Harbor Laboratory Press, 1997, 468p.
4. Edwards J.W., Coruzzi G.M. Cell-Specific Gene Expression in Plants // Annu. Rev.
Genet. 1990. V.24. P.275-303.
5. Kerstetter R.A., Hake S. Shoot Meristem Formation in Vegetative development // Plant
Cell. 1997, V.9, P.1001-1009.
6. Chen J-J., Janssen B-J., Williams A., Sinha N.A. Gene Fusion at a Homeobox Locus:
Alteration in Leaf Shape and Implications for Morphological Evolution // Plant Cell. 1997.
V.9. P.1289-1304.
7. Evans M.M.S., Barton M.K., Genetic of Angiosperm Shoot Apical Meristem Development
// Annu. Rev. Plant. Physiol. Plant. Mol. Biol. 1997. V.48. P.673-701.
8. Хавкин Э.Е. Генетическая регуляция морфогенеза растений // Физиология растений,
1998, Т45, №6, С.763-777.
9. Clark S.E. Organ formation at the Vegetative Shoot Meristem // Plant Cell. 1997. V.9.
P.1067-1076.
10. Meyerowitz E.M. Genetic Control of Cell Division Patterns in Developing Plants // Cell.
1997. V.88. P.299-308.
11. Laux T., Jurgens G. Embriogenesis: A. New Start in Life // Plant Cell. 1997. V.9. P.9891000.
12. Lu. P. Porat R., Nadeau J.A., O'Neill S.D. Identification of a Meristem L1 Layer-Specific
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
Gene in Arabidopsis That Is Expressed during Embryonic Pattern Formation and Defines
a New Class of Homeobox Genes // Plant Cell. 1996. V.8. P.2155-2168.
Lincoln C., Long J.,Yamaguchi J., Sericawa K., Hake S. A knotted-like Homeobox Gene
in Arabidopsis is Expressed in the Vegetative Meristem and Dramatically Alters Leaf
Morphology when Overexpressed in Transgenic Plants // Plant Cell. 1994. V.6. P.18591876.
Smith L.G., Jackson D.. Hake S. Expression of knotted1 Marks Shoot Meristem
Formation During Maize Embryogenesis // Dev.Genet. 1995. V.16. P.344-348.
Chuck J., Lincoln C., Hake S. KNAT 1 Induces Lobed Leaves with Ectopic Meristems
when Overexpressed in Arabidopsis // Plant Cell. 1996. V.8. P.1277-1289.
Serikawa K.S., Martines-Laborda A., Kim H.S., Zambryski P.C. Localization of Expression
of KNAT3, a Class-2 Knotted-Like Gene // Plant J. 1997. V.11. P.853-861.
Морозова З.А. Основные закономерности морфогенеза пшеницы и их значение для
селекции // М., Изд-во Московского университета, 1986. 161с.
Parnis A., Cohen O., Gutfinger T., Hareven D., Zamir D., Lifschitz E. The dominant
Developmental Mutants of Tomato, Mouse-ear and Curl, Are Associated with Distinct
Modes of Abnormal Transcriptional Regulation of a Knotted gene // Plant Cell. 1997. V.9.
P.2143-2158.
Sinha N.R. Simple and Compound Leaves: Reduction or Multiplication? // Trends Plant
Sci. 1997. V.2, P.396-402.
Kerstetter R.A., Laudencia-Chingcuanco D., Smith L.G., Hake S. Loss-of-Function
Mutations in the Maize Homeobox Gene, knotted l, Are Defective in Shoot Meristem
Maintenance // Development. 1997. V.124. P.3045-3054.
Uberlakker B., Klinge B., Werr W. Ectopic Expression of the Maize homeobox Genes
ZmHoxl a or ZmHoxl b Causes Pleotropic Alteraction in the Vegetative and floral
Development of Transgenic Tobacco // Plant Cell. 1996. V.8. P.349-362.
Menster T., Pahnke J., Dirosa A., Kim J.T., Saedler H., Theissen G. Floral Homeotic
Genes Recruited from Homologus MADS-Box Genes Preceding in the Common Ancestor
of Ferns and Seed Plants // Proc. Nat. Acad. Sci. USA. 1997. V.94. P.2415-2422.
Klinge B., Werr W. Transcription of the Zea mays homeobox (ZmHox) Genes Is Activated
Early in Embriogenesis and Restricted to Meristem of the Maize Plant // Dev. Genet.
1995. V.16. P.349-357.
Mena M., Mandel M.A., Lerner D.R., Hake S., Schidt R.T. Characterization of MADS-box
Gene Family in Maize // Plant J. 1995. V.9, P.845-854.
Moose S.P., Sisco P.H. Glossy 15, an APETALA2-like Gene from Maize that Regulates
Leaf Epidermal Cell Identity // Genes Devel. 1996. V.186. P.36-45.
Синнот Э. Морфогенез растений // М., Изд-во Иностранной литературы, 1963. 603с.
Okamura J.K., Szeto W., Lotus-Prass C., Jofuku K.D. Flowers into Shoots: Photo and
Hormonal Control of a Meristem Identity Switch in Arabidopsis // Proc. Natl. Acad. Sci.
USA. 1996. V.93. P.13831-13836.
***
Oieoaa ?i?oa?ai i?oa ?a?aaeuia aaeeaiunou anou? o??uiaanoa?a?u ii?oiaaiacai"
aaiaoeeaeu? ?aooaeoi ?aeuiaa?u ?aci?ai caiai?u o?niiieoa? eaeoi?ieaai. Aaioau" aeu?ui-?in?uo
aiiaicenoie aaiaa?iii" aei oiaui ca?ooaoai" i?iaeaiaea?u iai ?aoinoieoa?i eaeoi?ieaai: aiiai-aienaaiaa? iai MADS-aien aaiaa?ai" ??ia iea?au" ii?oiaaiac i?ioanii ?aooaoaa ?aounou.
***
In the review modern representations about genetic regulation morphogenesis of cereals are
depending on area. Problems and achievements in research of two groups of homeosis genes of
switches of development are covered: homeobox-genes and MADS-box of genes and their
participation during regulation of morphogenesis.