УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2013, том 133, № 2, с. 115-123
УДК 575.224:575.113:575.852
АУКСИН: РЕГУЛЯЦИЯ И ВОЗМОЖНЫЕ ПУТИ ЕЕ МОДУЛЯЦИИ © 2013 г. С. М. Розов, А. А. Загорская, Е. В. Дейнеко, В. К. Шумный
Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирск E-mail:rozov@bionet.nsc.ru
Индол-3-уксусная кислота, или ауксин (ИУК) является ключевым регулятором практически всех процессов роста и развития растений. Системы биосинтеза, метаболизма и транспорта ауксина образуют в целом глобальную "ауксиновую машину", контролируемую большим числом специфических генов. Регуляция этой ауксиновой системы осуществляется как минимум на четырех функциональных уровнях: биосинтеза, метаболизма, транспорта ауксина и ответа на ауксиновый сигнал. Далеко не все гены, участвующие в функционировании и регуляции "ауксиновой машины" известны на сей день, и в наших представлениях о работе этой ключевой растительной системы остается еще много неясных моментов. Сейчас список генов, вовлеченных в круг действия и регуляции ауксина, стремительно растет, но далеко не все из них представляются вероятными модуляторами влияния ауксина на рост и органогенез растений и могут быть использованы в программах по генетической трансформации для улучшения характеристик хозяйственно-ценных растений. Данный обзор отражает наши современные представления о механизмах внутренней регуляции ауксиновой системы у растений и выявляет наиболее привлекательные для использования в генно-инженерных проектах гены, обеспечивающие эти процессы.
Ключевые слова: ауксин, CYP, ИУК-конъюгаты, YUCCA, UGT, GH3, AUX1, PIN, TIR, рецепторы ауксина.
Ауксин является ключевым растительным гормоном, так или иначе определяющим все процессы роста и морфогенеза растений. В ходе эволюции растения сформировали большое число систем, регулирующих концентрации ауксина в органах и тканях на разных этапах их развития. Поэтому исследование механизмов регуляции ауксина, его действия и взаимодействия с другими регуляторными клеточными системами дает возможность понять очень многие аспекты роста и развития растений. Как основной растительный гормон, ауксин определяет такие совершенно различные процессы, как гравитропизм и фототропизм, формирование архитектуры корня и стебля, образование органов и тканей, развитие и структуру проводящей системы (Вау1е8, 2010).
Формирование побега и корня у растений строго скоординированы между собой и требуют интенсивного обмена сигналами между различными органами и тканями, а также интегрирования внутренних морфогенетических программ с разнообразными сигналами внешней среды. Например, развитие листа происходит согласованно с одновременным развитием боковых корней, обеспечивающих листу необходимое количество воды и минеральных веществ, и оба эти процесса моду-
лируются конкретными условиями освещенности и влажности почвы. Как в растущих листьях, так и в кончиках корней при этом идет интенсивный синтез ауксина и его метаболизм, прежде всего, запасание ауксина на будущее в виде неактивных конъюгатов в одних частях растения и освобождение его из ранее сформированных депо в других частях (Когшап1у et а1., 2010). Далее ауксин перемещается по всем частям растения как пассивным, так и активным транспортом, формируя сложные ауксиновые градиенты в разных частях формирующихся органов (Оа11ауой1 et а1., 2008).
Влияние ауксина на рост и развитие растений зависит, прежде всего, от его количества и распределения по органам и тканям. Количество гормона регулируется интенсивностью его биосинтеза, конъюгации, гидролиза конъюгатов и катаболизмом ауксина. Немалое значение также имеет распределение ауксина по органам и тканям растения - оно определяется, прежде всего, системой активного, или полярного транспорта ауксина. И, наконец, важную роль в фенотипи-ческих проявлениях эффектов ауксина играет чувствительность, или восприимчивость тканей и клеток к ауксиновым сигналам - она зависит от наличия специфических ауксиновых рецепторов
и различных компонентов цепи передачи этого сигнала.
Таким образом, регуляция ауксина осуществляется как минимум на четырех функциональных уровнях: это биосинтез ауксина в тканях, его метаболизм, прежде всего, образование и гидролиз конъюгатов, не обладающих ауксиновой активностью, но играющих роль депо ауксина в растении, транспорт ауксина, активный и пассивный, а также прием и обработка ауксиновых сигналов ядерными белками-рецепторами ауксина (Davies, 2010). Многие аспекты регуляции концентраций ауксина, его взаимодействия с белками-рецепторами и с другими фитогормонами еще остаются далеко неясными.
В последнее время список генов и ферментов, вовлеченных в круг действия и регуляции ауксина, стремительно растет, но далеко не все из них представляются вероятными модуляторами влияния ауксина на рост и органогенез растений, которые могут быть использованы для улучшения характеристик хозяйственно-ценных растений в различных программах с применением методов генетической инженерии.
Основные пути биосинтеза, метаболизма и транспорта ауксина в растении и известные на сегодняшний день гены, принимающие участие в этих процессах, были нами подробно рассмотрены в предыдущем обзоре (Розов и др., 2013). Данный обзор отражает наши современные представления о путях и способах регуляции градиентов ауксина у растений и выявляет наиболее привлекательные для использования в генно-инженерных проектах гены, обеспечивающие эти процессы.
РЕГУЛЯЦИЯ НА УРОВНЕ БИОСИНТЕЗА
Считается, что триптофан-независимый путь биосинтеза ауксина функционирует постоянно во время всей вегетации растений, обеспечивая базовый уровень концентраций гормона, и практически не регулируется внутренними и внешними факторами. Этот путь является наиболее эволюционно древним, так как он присутствует уже у самых низших наземных растений - мхов. Триптофан-зависимые пути синтеза ауксина включаются на полную мощность в основном только в критические моменты жизни растения, когда требуется повышенное количество гормона - это, прежде всего, эмбриогенез, прорастание семян, формирование цветов, восстановление после различных повреждений (Cheng, Zhao, 2007). Тем не менее у обоих путей существуют
некие временные элементы регуляции, так как триптофан-независимые и триптофан-зависимые пути биосинтеза ауксина включаются в разное время после начала прорастания семян (Ljung et al., 2001).
Интересно отметить, что поддержание го-меостаза концентраций ИУК значительно более характерно для путей биосинтеза, основные ферментативные цепи которых находятся в хло-ропластах - это, прежде всего, продукты генов CYP-семейства, принадлежащие к классу цитохро-мов P-450. Сверхэкспрессия этих генов приводит, прежде всего, к аккумулированию неактивных ИУК-конъюгатов, а не накоплению свободной ИУК, тогда как повышенная активность цито-плазматических ферментов (в частности, продуктов YUCCA и AMIl-генов) резко повышает уровень свободной ИУК (Zazimalova, Napier, 2003). Эти наблюдения не претендуют на общее правило, так как еще далеко не все стадии биосинтеза ИУК хорошо изучены, и другие пути биосинтеза, например, индол-глюкозинолатный путь, могут значительно изменить эту картину. Тем не менее эти данные свидетельствуют о том, что манипуляции с генами цитоплазматических ферментов могут оказать значительно больший эффект на изменение содержания свободной ИУК, чем работы по трансгенезу CYP-генов. Таким образом, активность YUCCA и AMIl-генов лимитирует конечную продуктивность триптофан-зависимых путей биосинтеза, и они могут служить успешными точками воздействия для модификации концентраций ИУК в растении. К сожалению, к настоящему времени работы по переносу генов класса YUCCA еще не проводились ни на одном растительном объекте.
Ортологи YUCCA-генов Arabidopsis thaliana есть практически у всех высших растений, тогда как CYP-гены обнаружены только у растений семейства крестоцветных - Cruciferae (Sugawara et al., 2009). Поэтому при работе с крестоцветными не следует пренебрегать трансгенезом CYP-генов. По крайней мере один из этих генов, ген CYP83B1, является у A. thaliana регулятором биосинтеза одновременно ауксина и глюкозино-лата (Normanly et al., 2010). Инактивация гена CYP83Bl у трансгенных растений A. thaliana приводит к возникновению фенотипов с очень сильным апикальным доминированием, а его сверхэкспрессия вызывает резкое ослабление апикального доминирования. Более того, ген CYP83Bl является лимитирующим звеном в биосинтезе индол-глюкозинолатов, которые могут функционировать как регуляторные депо ИУК. Так, трансгенные растения с инактивирован-
ным CYP83B1 -геном имеют вдвое уменьшенный уровень содержания индол-глюкозинолатов, тогда как растения с его сверхэкспрессией демонстрируют увеличенную на 75% концентрацию индол-глюкозинолатов (Bak et al., 2006). В генно-инженерных проектах, основанных на регуляторных эффектах CYP83B1 -гена, могут быть использованы векторные конструкции, содержащие, кроме CYP83B1 конститутивные, тка-неспецифические и индуцибельные промоторы, что может резко расширить спектр получаемых фенотипических изменений у трансгенных растений. Это могут быть растения с множеством измененных параметров: размерами клеток в той или иной ткани, временем и периодом цветения, ветвлением, семенной продуктивностью, размерами и формой листа, высотой растения, устойчивостью к патогенам, регуляцией биосинтеза ауксина и многими другими. Не исключено, что таких же, а может, и больших, фенотипических эффектов можно достичь, манипулируя генами YUCCA--типа.
Ген UGT74B1 также представляет немалый интерес для генно-инженерных приложений. Потеря его функциональности приводит к возникновению растений, характеризующихся уменьшенными концентрациями индол-3-глюкозинолата, повышенным почти в 3 раза содержанием ИУК и имеющих фенотип, характерный для сверхпродукции ИУК (Grubb et al., 2004). Конститутивная сверхэкспрессия UGT84B1 у трасгенных растений, несущих дополнительный ген UGT84B1, ассоциированный с сильным промотором, вызывает у растений ряд морфологических изменений, характерных для фенотипов с низким уровнем ИУК (Jackson et al., 2002).
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.