УСПЕХИ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ, 2011, том 131, № 3, с. 270-279
УДК 575.16.164:577.218
ГЕНЕТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ПОЛЯРНОГО ТРАНСПОРТА АУКСИНА И ЕГО РОЛЬ В КОНТРОЛЕ МОРФОГЕНЕЗА ПОБЕГА
© 2011 г. У.Н. Кавай-оол
Тывинский государственный университет, Кызыл E-mail: dr.urana@mail.ru
Влияние ауксина на морфогенез растений во многом связано с его дифференциальным распределением по различным тканям растения. Показано, что для создания градиентов ауксина важен его тканеспецифичный синтез, приток ауксина в клетки и его отток из клетки. Рассмотрен генетический контроль этих процессов. Основное внимание уделено генетическому контролю оттока ауксина, а также влиянию генов, участвующих в регуляции этого процесса, на морфогенез растений.
Ключевые слова: Arabidopsis thaliana, ауксин, полярный транспорт ауксина (ПТА), ген, генетическая регуляция, морфогенез.
ВВЕДЕНИЕ
Фитогормон ауксин (преобладающая форма индол-3-уксусная кислота, ИУК) является основным координирующим сигналом в развитии растения. Многие аспекты действия ауксина зависят от его дифференциального распределения внутри тканей растения, где ауксин образует локальные максимумы и градиенты между клетками. В настоящее время благодаря изучению мутантов, в первую очередь - мутантов модельного растения АгаЫёор818 ШаИапа, с применением физиологических, генетических и молекулярно-биологиче-ских методов вскрыты молекулярные механизмы транспорта ауксина. Установлено, что в регуляции распределения ауксина в тканях растений основная роль принадлежит трем процессам -тканеспецифичному синтезу ауксина, притоку ауксина в клетки и оттоку ауксина из клетки. В обзоре будет рассмотрен генетический контроль этих процессов. Основное внимание уделено генетическому контролю оттока ауксина, а также влиянию генов, участвующих в регуляции этого процесса, на морфогенез растений.
РОЛЬ ГЕНОВ, КОНТРОЛИРУЮЩИХ СИНТЕЗ АУКСИНА, В СОЗДАНИИ ГРАДИЕНТОВ ЕГО КОНЦЕНТРАЦИИ
В настоящее время у А. ШаНапа и некоторых других растений выделены основные гены, контролирующие триптофанзависимый и трипто-фаннезависимый пути синтеза ауксина, инакти-
вацию этого гормона с образованием коньюгатов и гидролиз коньюгатов, возвращающий ауксин в активную форму. Вопросам генетического контроля этих процессов посвящен ряд обзоров [81, 82]. В то же время в исследованиях на A. thaliana лишь сравнительно недавно установлено, что гены YUC1, YUC2, YUC4 и YUC6 контролируют синтез ауксина и могут обуславливать создание градиентов концентрации независимо от систем транспорта этого гормона.
Благодаря исследованиям на мутантах yuc1, yuc2, yuc4 и yuc6 у A. thaliana конкретизированы сайты продукции ауксина в тканях растения. Установлено, что четыре из одиннадцати предсказанных флавиновых монооксигеназ YUCCA (YUC1, YUC2, YUC4 и YUC6) играют важную роль в биосинтезе ауксина и регуляции развития растения [28].
В основном гены YUC экспрессируются в меристемах, молодом примордии, сосудистых тканях и репродуктивных органах. Суперэкспрессия каждого гена YUC приводит к суперпродукции ауксина, в то же время нарушение одного гена YUC не вызывает очевидных дефектов развития из-за их способности дублировать функции друг друга. Действие генов YUC1, YUC2, YUC4 и YUC6 время- и тканеспецифично. Хотя ген YUC4 показывает самую высокую гомологию с геном YUC1, их активность, как и у генов YUC2 и YUC6, проявляется дифференцированно и различается по уровням экспрессии. Во-первых, гены YUC1 и YUC4 показывают более высокий уровень активности, чем гены YUC2 и YUC6. Показано, что оба
гена YUC1 и YUC4 экспрессируются в апикальной меристеме (АМ) и молодых примордиях цветка. Ген YUC1 также экспрессируется во флоральной меристеме (ФМ) и в базальных концах молодых бутонов, а на более поздних стадиях - в дискретных группах клеток генеративных органов (тычинки, пестик). В зрелых цветках экспрессия гена YUC1 отсутствует. Ген YUC4 экспресси-руется во ФМ и в основании органов молодых бутонов цветка; позднее - преимущественно в апикальных участках чашелистиков, тычинок и плодолистиков. В зрелых же цветках экспрессия гена YUC4 наблюдается только в гинецее [28]. В отличие от них гены YUC2 и YUC6 показывают чрезвычайно низкую экспрессию в верхушке соцветия. Однако экспрессия гена YUC2 заметна в стебле, молодых бутонах, лепестках, тычинках и гинецее молодых цветков и позднее в створках гинецея. Активность же гена YUC6 наблюдается в основном в тычинках и пыльце.
Сильную экспрессию YUC1 также отмечали в основании молодых примордиев листьев, в то время как YUC4 экспрессировался дискретно в базальной и апикальной участках молодых листьев. В зрелых же листьях экспрессию YUC1 не обнаружили, однако слабую экспрессию YUC4 наблюдали в сосудах высоких порядков. Показано, что ген YUC2 экспрессировался в молодых примордиях и взрослых листьях. Экспрессия гена YUC6 в листьях отсутствовала.
Таким образом, гены YUC имеют избыточную функцию. Показана строгая корреляция между числом экспрессирующихся генов YUC и количеством сосудов в листьях и цветках; причём в начальной стадии развития листа и цветка одновременно важны функции двух генов биосинтеза ауксинов (YUC1 и YUC4), а затем, с середины онтогенеза, вместе с ними поочередно в действие вступает сначала ген YUC6 и позднее YUC2. Для полного формирования органов необходимо действие всех четырех названных генов. Интересно, что на ранних стадиях репродуктивного развития у четверных мутантов yuc1, yuc2, yuc4, yuc6 A. thaliana не формируются ФМ вследствие отсутствия функционально активных белков фла-виновых монооксигеназ YUC, которые необходимы для биосинтеза ауксина [28]. Одновременно мутации в четырех генах YUC1, YUC2, YUC4 и YUC6 приводят к появлению стебля, лишенного соцветия, как у мутантов pin-formed (pin) и pinoid (pid) (см. ниже).
Показано, что ген кукурузы SPI1 (SPARSE INFLORESCENCE 1) также кодирует YUC-подобную флавиновую монооксигеназу, которая
участвует в локальном биосинтезе ауксина и регуляции пазушных меристем, включая организацию колосковой меристемы и ФМ [39]. Таким образом, специфически экспрессирующиеся гены YUC играют важную роль в создании градиентов ауксина и вместе с полярным транспортом ауксина (ПТА) - в морфогенезе растения.
Помимо генов YUC, у A. thaliana описано еще десять генов, контролирующих триптофанзави-симый и триптофаннезависимый пути синтеза ауксина (TRP1, TRP2, TRP3, TRP4, TRP5, CYR79 B2, CYR79 B3, SUR1, SUR2 и NIT1), однако данных об особенностях их экспрессии и участии в создании градиентов концентрации ауксина пока нет.
ГЕНЫ ПРИТОКА И ОТТОКА АУКСИНА ИЗ КЛЕТКИ
У растений известны 33 главных гена, участвующих в притоке и оттоке ауксина, большинство (15) из них описаны только у A. thaliana (см. ниже). У других видов выявлены: по одному гену у Brassica juncea (ген BjPIN1-3), Medicago trun-catula (MtLAX1-5), Oryza sativa (OsPIN1), Prunus avium (PaLAX), Sorghum bicolor (SbPGP1 (dw3; dwarf)); по два гена - у Casuarina glauca (CgAUX1 и CgLAX3), Cucumis sativus (CsAUX1 и CsPIN1) и Populus trémula x tremuloides (PttLAX1-3 и PttPIN1-3), а также три и четыре гена - у Lupi-nus albus (LaAUX1, LaPIN1 и LaPIN3) и Zea mays (ZmAUX1, ZmPIN1, ZmPGP1 (br2; br achy tic) и ZmTM20) соответственно (см. обзоры [49, 67, 85]). В геноме A. thaliana имеются четыре гена притока ауксина в клетку (AUX1 и три подобных ему гена LAX (LAX1-LIKE AUX1, LAX2, LAX3 и LAX4)) [66] и одиннадцать генов оттока ауксина из клетки (PIN1-PIN8, AtPGP1/ABCB1, AtABCB19/ MDR1/MDR11/PGP19 и AtABCB4/MDR4/PGP4).
Среди вышеперечисленных генов растений ген AUX1 принимает непосредственное участие в притоке ауксина. Изучение мутантов aux1 A. thaliana, привело к идентификации семейства трансмембранных белков AUX1/LAX, которые показывают 80%-ное сходство между собой и относятся к группе пермеаз - транспортеров протонов. Мутанты проявляют агравитропизм и устойчивость к экзогенному синтетическому гормону 2,4-Д (2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота) [22, 66, 74].
Благодаря мутантам A. thaliana, формирующим булавковидный цветонос pin1 [64], аллельным корневым мутантам agr1, wav6 (wavy roots) и мутанту eir1 (ethylene insensitive root) [19, 63, 71],
Основные гены, контролирующие отток ауксина из клеток Arabidopsis thaliana*
Стадии, ткани и органы, ростовые Гены Ориентация потоков ПТА
процессы
1. Супензорная клетка; проэм- PIN7, ABCBl и ABCBl9; PINl и Апикальная, неполярная; внутри
брион ABCBl9 равномерная и неполярная
2. Эмбрион, глобула; гипофиз PINl, ABCBl и ABCBl9; PINl, PIN4, Базальная, неполярная
PIN7 и ABCBl9
3. Примордии семядолей PINl, ABCBl9 Апикальная, неполярная
4. Побег, ксилема PINl, ABCBl и ABCBl9 Базальная, неполярная
5. Лист, примордии PINl, ABCBl9 Базальная, неполярная
6. Корень, стела PINl, PIN3, PIN4, PIN7; ABCBl и Базальная, неполярная
ABCBl9
7. Колумелла, боковой корень PIN3, PIN7 Латеральная
8. Эпидермис PIN2, ABCB4 Апикальная, неполярная
9. Перицикл, боковой корень PINl, PIN2; ABCBl и ABCBl9 Апикальная, неполярная
10. Клетки, содержащие крах- PINl; PIN3; PIN2; ABCBl, ABCB4 и Базальная; апикальная, неполяр-
мальные зерна (гравитро- ABCBl9 ная
пизм)
11. Светочувствительные клетки PIN3; ABCBl и ABCBl9 Апикальная, неполярная
(фототропизм)
Примечание: * - сведения по локализации транспортеров ауксина из литературных источников по эмбриогенезу [20, 31, 33, 35, 36, 52]; побегу и корню [20, 23, 24, 32, 33, 35, 43, 52, 59, 66, 69, 74, 82]; грави- [14, 33, 44, 46, 49, 52, 53, 58, 61] и фототропизму [34, 47, 48, 56-58, 60, 61].
идентифицированы белки-транспортеры, осуществляющие перенос ауксинов из клетки. Феноко-пии мутантов могут быть вызваны при использовании ингибиторов ПТА. Мутанты показывают слабый ПТА в корнях и побегах. Все три мутации (agrl, wav6 и eirl) являются аллелями гена PIN2 [27, 50, 54, 78]. Ген PIN1 (PIN-FORMED1) является ключевым геном, осуществляющим контроль оттока ауксина из клетки у A. thaliana. Члены семейства генов PIN у A. thaliana представлены в избытке (всего 8) и все они являются гомологами PIN1 [34, 35]. В настоящее время PINl-подобные гены выявлены у семи видов растений (см. выше в перечн
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.