ОНТОГЕНЕЗ, 2015, том 46, № 1, с. 22-30
ГЕНЕТИКА РАЗВИТИЯ
УДК 575.164
ИЗУЧЕНИЕ РОЛИ ГЕНА FASCIATA5 В РЕГУЛЯЦИИ РАЗВИТИЯ ЦВЕТКА
ARABIDOPSIS THALIANA © 2015 г. А. В. Альберт*, У. Н. Кавай-оол**, Т. А. Ежова*
*Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова 119992, Москва, ул. Ленинские Горы, ГСП1 **Тувинский государственный университет 667000, Кызыл, ул. Ленина, 36 E-mail: ezhova2001@mail.ru Поступила в редакцию 18.07.2014 г. Окончательный вариант получен 28.08.2014 г.
Выявление новых генов, принимающих участие в контроле инициации цветения и развития цветка, представляет собой важную задачу генетики развития растений. Центральным подходом для ее решения является изучение мутантов с изменениями данных признаков. В работе исследовано влияние плейотропной мутации fasciata5 Arabidosis thaliana (L.) Heynh. на время перехода на репродуктивную стадию и развитие цветка. Путем анализа двойных мутантов выявлены взаимодействия гена FASCIATA5 c генами LEAFY, APETALA1 и APETALA2, инициирующими образование флоральной меристемы. Полученные результаты свидетельствуют о важной роли гена FASCIATA5 в позитивной регуляции этих генов.
Ключевые слова: генетический контроль развития цветка, Arabidopsis ХЬаНапа, мутанты, гены ГГТ, АР1, АР2, гомеозисные гены, генные взаимодействия.
DOI: 10.7868/S0475145015010048
ВВЕДЕНИЕ
Переход к цветению растений A. thaliana находятся под контролем нескольких групп генов. Первая группа инициирует переход к репродуктивному развитию и выметывание цветоноса. Вторая контролирует детерминацию флоральной меристемы ("метаморфоз" побеговой меристемы во флоральную), а третья — определение типа органов в мутовках цветка. Ключевыми генами второй группы являются гены LEAFY (LFY) и APETALA1 (АР1), которые кодируют транскрипционные факторы и взаимно активируют экспрессию друг друга (Pajoro et al., 2014).
Мутанты lfy характеризуются полной транс -формацией базальных цветков в разветвленные побегоподобные структуры (Schultz and Haughn, 1991; Huala and Sussex, 1992; Weigel et al., 1992). В то же время, апикальные цветки демонстрируют разную степень побегоподобности в зависимости от аллеля. Растения lfy-1 (сильный аллель) образует стерильные апикальные цветки с нормальным гинецеем, листоподобными структурами вместо чашелистиков и полным отсутствием лепестков и тычинок (Schultz and Haughn, 1991). Апикальные цветки слабых аллелей способны образовывать тычинки и лепестки, хотя их число
снижено (Huala and Sussex, 1992). Ген LFY вносит определенный вклад и в контроль первой стадии инициации цветения, на что указывает некоторая задержка образования цветоноса у мутантов lfy (Blazquez et al., 1997; Mizukami and Ma, 1997) и присутствие среди прямых мишеней белка LFY генов, контролирующих инициацию цветения (Winter et al., 2011).
Цветки мутантов ар1 также проявляют отдельные признаки побега — внешние органы могут располагаться по спирали, а не в виде мутовки, и в их пазухах активируются меристемы, из которых развиваются цветки второго порядка с теми же характеристиками (Irish and Sussex, 1990; Bowman et al., 1993). У двойных мутантов lfy ap1 цветки трансформированы в побеги в еще большей степени, чем у одиночных мутантов (Weigel et al., 1992; Bowman et al., 1993). Вместо цветков у них развиваются побегоподобные структуры с вытянутыми междоузлиями и активными пазушными почками, в узлах развиваются листоподобные структуры, часть которых демонстрирует отдельные черты плодолистиков (Huala and Sussex, 1992).
Некоторый вклад в формирование флоральной меристемы вносит ген АР2. Об этом свидетельствует проявление побегоподобности цвет-
ков (формирование почек в пазухах органов первой мутовки) в условиях короткого дня (Okamuro et al., 1997), а также усиление побегоподобности цветков при объединении мутации ар2 с мутациями api или lfy (Irish and Sussex, 1990; Huala and Sussex, 1992).
Ген AP2, как и ген АР1, относят также и к генам третьей группы, которые детерминируют тип органов цветка и подразделяются на классы А, В и С в зависимости от выполняемой функции. АР1 и AP2 выполняют функцию генов класса А, определяющих тип органов околоцветника (Bowman etal., 1989; Irish and Sussex, 1990). Об участии генов в развитии околоцветника свидетельствует изменение структуры цветка. Мутанты api образуют брактеи вместо чашелистиков, характеризуются отсутствием или недоразвитием лепестков и уменьшением числа органов второй и третьей мутовки (Irish and Sussex, 1990; Bowman et al., 1993). У мутантов ap2 чашелистики превращаются в плодолистикоподобные структуры (у аллелей с высокой экспрессивностью) или брактеи или карпеллоидные брактеи (у аллелей с низкой экспрессивностью), вместо лепестков развиваются тычинки и уменьшается число органов цветка (Kunst et al., 1989). Снижение числа органов и карпеллоидность органов околоцветника у мутантов ap2 обусловлены расширением зоны экспрессии гена AGAMOUS (AG), контролирующего формирование генеративных органов цветка (ген класса С) и терминацию флоральной меристемы, поскольку ген AP2 ограничивает область экспрессии AG (Drews et al., 1991).
В данной статье исследовано влияние рецессивной мутации fasЗ A.thaliana из коллекции кафедры генетики МГУ на развитие цветка. Мутация fasЗ характеризуется развитием фасциации, нарушением филлотаксиса и рядом других морфологических нарушений стебля и розетки, описанных ранее (Альберт и др., 2015). Задачей данной работы был анализ влияния мутации fasЗ на переход к цветению и развитие цветка и изучение взаимодействий гена FASЗ с ключевыми генами, влияющими на этот процесс LFY, AP1, AP2. Для этого нами был проведен анализ двойных мутантов, полученных от скрещивания мутанта fasЗ с мутантом lfy-10, с аллельными мутантами с разной экспрессивностью api-i и api-20 (аллели АР1 ), а также ap2-14 и ap2-1 (аллели AP2).
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Рецессивная мутация fasЗ (линия М-21-1) получена на основе расы Dijon (линия К-1) на кафедре генетики МГУ с помощью химического мутагенеза этилметансульфоната. Для анализа взаимодействия генов использованы мутанты api-20 (линия К-200) и ap2-14 (линия К-217) из коллекции A. thaliana кафедры генетики МГУ, а также
линии lfy-10 (CS46), ap1-1 (CS8066) и ap2-1 (CS8) из Arabidopsis biological Resource Center (ABRC). Мутантные линии ap1-20 и ap2-14 получены на основе расы Dijon, как и линия fas5. Аллельные мутации ар1-1 и ар1-20 различаются по степени экспрессивности мутантного признака: ар1-1 представляет собой жесткий, хотя и не нулевой аллель ((Irish and Sussex, 1990; Bowman et al., 1993), а делеционный аллель ар1-20 имеет низкую экспрессивность (Ондар и др., 2008). Аллели ap2-1 и ap2-14 также различаются по степени экспрессивности. Аллель ap2-1 имеет низкую экспрессивность (Bowman et al., 1989), а ap2-14 является нуль-аллелем (Penin, Logacheva, 2011). Мутация lfy-10 имеет низкую экспрессивность (Weigel et al., 1992).
Поскольку мутантные линии из ABRC получены на ином, чем fas5, генетическом фоне, проводили их скрещивания с расой Dijon, после чего их скрещивали с мутантом fas5 для получения двойных мутантов. Растения выращивали в смеси почвы и песка (2 : 1) в условиях теплицы на длинном дне. Для анализа динамики перехода на репродуктивную стадию развития измеряли длину цветоноса 25 растений мутанта и дикого типа (расы Dijon) и число листьев розетки. Анализ числа и типа органов проводили на цветках, расположенных в базальной (с 1-го по 5-ый цветок), средней (6—10 цветки) и апикальной (11—15 цветки) части цветоноса 15 растений дикого типа и мутанта fas5. Документирование цветков проводили с использованием световой микроскопии и сканирующей электронной микроскопии как описано ранее (Альберт и др., 2015).
РЕЗУЛЬТАТЫ
Переход к цветению и морфология цветка мутанта fas5
Выброс цветоноса у растений мутантаfas5 происходит на 34-35-й день после прорастания семян, т.е. на 5—6 дней раньше, чем у растений дикого типа, которые начинают выбрасывать цветонос только на 39—40-й день после прорастания (рис. 1а). Число листьев розетки, которое позитивно коррелирует с временем инициации цветения, у мутантаfas5 также снижено (4.7 ± 0.6) относительно дикого типа (8.2 ± 0.7). Число вегетативных узлов цветоноса у fas5 несколько увеличено относительно дикого типа (в среднем 5.7 ± 1.0 у fas5 и 3.6 ± 0.7 у дикого типа). Однако это различие не достоверно и, по-видимому, является следствием фасциации у мутантов fas5, т.е. слияния нескольких стеблевых осей. Об этом свидетельствует зависимость числа вегетативных узлов от степени выраженности фасциации: у мутантных растений с ярко выраженной фасциацией число вегетативных узлов составляет 13.0 ± 4.3. Таким образом, сниженное число розеточных листьев и
6 г
1 -
1 мутовка (чашелистики)
2 мутовка (лепестки)
(е)
3 мутовка (тычинки)
4 мутовка (плодолистики)
12 3 4
12 3 4
12 3 4
12 3 4
Рте. 1. Динамика перехода на репродуктивную стадию и особенности структуры цветка мутантаfas4\ (а) — динамика роста цветоноса у растений мутантаfas4 (черные кружки) и дикого типа (светлые кружки); (б) — цветок дикого типа; (в—д) — цветки мутанта fas5 (на рис. (в) стрелкой отмечена рыльцевая ткань на верхушке чашелистика, на рис. (в, г) — звездочки указывают на филаментоподобные/узкие лепестки, на рис. (д) стрелка указывает на карпеллоидную тычинку); (е) — характеристика типа и среднего числа органов в 1-4-ой мутовках цветка дикого типа (1) и мутанта fas4 из базальной (2), средней (3) и апикальной (4) частей цветоноса (представлены средние значения числа всех органов мутовки с ошибками; белым цветом показана доля аномальных органов — в 1-ой мутовке это карпеллоидные чашелистики, во 2-ой — узкие и филаментоподобные лепестки, в 3-ей — карпеллоидные тычинки, в 4-ой — несросшиеся плодолистики); для дикого типа представлены суммарные значения числа органов цветков трех частей цветоноса.
0
ускоренный выброс цветоноса говорит о более раннем переходе мутанта fas5 на репродуктивную стадию развития и свидетельствует об участии гена FAS5 в негативной регуляции генов, контролирующих инициацию цветения.
Цветки линии fas5 отличаются от цв
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.