научная статья по теме ПЛЕЙОТРОПНЫЙ ЭФФЕКТ МУТАЦИИ FAS5 НА РАЗВИТИЕ ПОБЕГА ARABIDOPSIS THALIANA Биология

Текст научной статьи на тему «ПЛЕЙОТРОПНЫЙ ЭФФЕКТ МУТАЦИИ FAS5 НА РАЗВИТИЕ ПОБЕГА ARABIDOPSIS THALIANA»

ОНТОГЕНЕЗ, 2015, том 46, № 1, с. 13-21

ГЕНЕТИКА РАЗВИТИЯ

УДК 575.164

ПЛЕЙОТРОПНЫЙ ЭФФЕКТ МУТАЦИИ fas5 НА РАЗВИТИЕ ПОБЕГА

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: eugenealbert2010@gmail.com Поступила в редакцию 16.07.2014 г. Окончательный вариант получен 27.08.2014 г.

В работе охарактеризована новая мутация, вызывающая развитие многочисленных меристематиче-ских очагов в составе апикальной меристемы побега, которые могут давать начало новым стеблевым осям или приводить к фасциации стебля. Мутация wus-1 эпистатирует развитие дополнительных апикальных меристем у мутантаfas5, что указывает на последовательное действие генов при формировании апикальной меристемы побега и участие гена FAS5 в ограничении области экспрессии гена WUS. Эту функцию ген FAS5 выполняет независимо от других негативных регуляторов гена WUS — генов CLV, о чем свидетельствует аддитивный фенотип двойных мутантов fas5 clv2-1 и fas5 clv3-2. Помимо влияния на развитие апикальной меристемы побега мутация fas5 вызывает изменение формы и числа листьев, ускоряет переход растений на репродуктивную стадию развития и приводит к развитию новообразований на стебле (почек, рыльцевой ткани и семяпочек). Мутация вызывает также изменения морфологии клеток апикальных меристем и листа, указывающие на активацию в клетках эндоредупликации ДНК. Плейотропный эффект мутации fas5 на разные стадии онтогенеза и разные органы свидетельствуют о том, что ген FAS5 играет сложную регуляторную роль на всех стадиях развития побега A.thaliana, и его мишенями (прямыми или непрямыми) являются многие гены.

Ключевые слова: генетический контроль развития побега, Arabidopsis thaliana, апикальная меристема, мутанты, генные взаимодействия.

DOI: 10.7868/S0475145015010036

ВВЕДЕНИЕ

Развитие растения обеспечивается за счет постоянного поддержания пула стволовых клеток (СК) апикальной меристемы побега (АМП) и корня. АМП растений состоит из пула медленно делящихся СК, расположенных в центральной зоне, и быстро делящихся дифференцирующихся клеток в периферической зоне, из которых в дальнейшем образуются различные типы тканей и формируются примордии боковых органов побега. Важным компонентом АМП служит организующий центр, расположенный под центральной зоной и являющийся нишей СК меристемы (Stahl, Simon, 2010; Barton, 2010).

У Arabidosis thaliana (L.) Heynh. ключевая роль в поддержании постоянства пула СК АМП принадлежит системе генов WUS-CLV3, действую -щих по принципу отрицательной обратной связи (Brand et al., 2000). Ген WUS экспрессируется в организующем центре, его продукт — транскрипционный фактор WOX-семейства (Haecker et al.,

2004) поступает в вышележащие СК и регулирует транскрипцию многих генов (Busch et al., 2010; Yadav et al., 2011; Yadav et al., 2013). Это обеспечивает поддержание СК в недифференцированном состоянии и стимулирует их пролиферативную активность. Белок WUS индуцирует в клетках центральной зоны экспрессию гена CLV3, кодирующего небольшой секреторный белок, который, активируя рецепторные молекулы CLV1, CLV2, CRN, RPK2/TOAD2 (Ogawa et al., 2008; Muller et al., 2008; Kinoshita et al., 2010), супресси-рует транскрипцию WUS и таким образом предотвращает чрезмерную пролиферацию СК.

На экспрессию WUS влияют и другие гены, оказывающие как индуцирующее, так и супрес-сирующее действие (Williams and Fletcher, 2005; Shen and Xu, 2009; Альберт, Ежова, 2013). Мутации в генах, индуцирующих экспрессию WUS, а также в самом гене WUS приводят к нарушениям функционирования АМ — в первую очередь к преждевременному истощению пула СК и оста-

новке роста, нарушениям формирования органов (Kwon et al., 2005; Ung et al., 2011). Мутации в генах, негативно регулирующих WUS, вызывают увеличение размеров АМП и усиление ее активности, развитие фасциации стебля, нарушение филлотаксиса и увеличение числа органов побега (Clark et al., 1997; Kaya et al., 2001; Han et al., 2008).

К негативным регуляторам WUS входят гены, кодирующие различные по структуре и выполняемой функции белки. Тем не менее, действие большинства негативных регуляторов WUS заключается в ограничении области его экспрессии в пределах организующего центра (Williams and Fletcher, 2005), что обеспечивает закладку и формирование нормальной АМП растения. В данной статье представлены результаты изучения рецессивной мутации fasciata5 (fas5) A. thaliana, характеризующейся увеличением размеров АМП, развитием фасциации и рядом других нарушений. Задачей данной работы являлся детальный анализ влияния мутации fas5 на развитие растений A. thaliana. Для выяснения взаимодействия нового гена с генами WUS и CLV изучали также влияние мутации fas5 на проявление мутаций wus-1, clv3-2 и clv2-1.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Генетическая характеристика мутации fas5. Мутация fas5 (линия М-21-1) получена на основе расы Dijon (линия К-1) на кафедре генетики МГУ с помощью химического мутагенеза этилметанс-ульфоната и наследуется как ядерная рецессивная. Тесты на аллелизм с ранее изученными мутациями, приводящими к фасциации стебля, показали, что мутация fas5 не является аллелью генов CLV1, CLV2, CLV3 и FAS1. Отсутствие аллелизма с геном FAS2 установлено путем секвенирование кДНК из мутанта fas5 и родительской расы Dijon. Выявлено сцепление fas5 с маркерами lfy-10 и yi, расположенными в нижнем плече хромосомы 5 в районе 79сМ и 85сМ, соответственно. Сила сцепления между fas5 и yi составила 5.7 ± 1 сМ и между fas5 и lfy-10 — 2.7 ± 0.5 сМ. Поскольку расстояние между генами YI и LFY составляет 3 сМ, сделан вывод о локализации гена FAS5 в хромосоме 5 A. thaliana левее гена LFYв районе 76 сМ, где не описаны гены, мутации которых вызывают фасциацию.

Анализ генных взаимодействий с помощью изучения фенотипа двойных мутантов. Для выявления взаимодействий генов использованы мутанты clv3-2 (CS8066), clv2-1 (CS46) и wus-1 (CS15) из Arabidopsis biological Resource Center. Поскольку мутация clv3-2 (CS8066) была получена на основе линии Ler, содержащей мутацию er, тесно сцепленную с clv3-2, двойной мутант fas5 clv3-2 всегда был гомозиготен по er (по сути, представлял собой тройной мутант). В связи с этим для коррект-

ного сравнения с двойным мутантом fas5 clv3-2 мутант fas5 путем скрещиваний с Ler был переведен на тот же генетический фон. Для получения двойных мутантов fas5 clv2-1 и fas5 wus-1 сначала путем скрещиваний с расой Dijon получали мутанты clv2-1 и wus-1 без мутации erl, после чего их скрещивали с мутантом fas5.Для анализа морфологии растения выращивали в смеси почвы и песка (2 : 1) в условиях теплицы на длинном дне.

Документирование материала. Съемки растений проводили цифровым фотоаппаратом "Canon" (Япония) под бинокуляром Stemi 2000-C (Германия). Детальный анализ структуры органов проводили с помощью сканирующих электронных микроскопов JSM-6380LA и СЭМ S-405A (фирм Jeol и Hitachi, Япония, соответственно). Апикальные меристемы для СЭМ выделяли из растений на стадии цветения. Образцы инкубировали в растворе 70% этанола 16 часов при 4°С. Далее образцы переносили последовательно в растворы этанола 80% — 10 мин, и дважды 95% этанола — по 30 мин. Далее образцы инкубировали в смеси этанол 96% : ацетон 97% (1 : 1) в течение 30 мин и в 100% ацетоне в течение 2-х часов. Высушенные образцы прикрепляли к металлическим столикам, напыляли смесью палладия и платины в ионном напылителе IB-3 ("Eiko", Япония).

РЕЗУЛЬТАТЫ

Влияние мутации fas5 на развитие побега

Отличия мутанта от растений дикого типа видны уже на ювенильной стадии развития по изменению формы листьев розетки. Листья мутанта fas5 уже, чем у растений дикого типа, листовая пластинка приобретает характерную ромбовидную форму (рис. 1а). На листьях мутанта можно видеть трихомы, имеющие 4 ветви (рис. 1б), в то время как у дикого типа встречаются трихомы максимум с 3-мя ветвями. В среднем, на третьем розеточном листе мутанта fas5 можно обнаружить 26% трихом с 2 ветвями, 42% — с 3 ветвями и 31% — с 4 ветвями. На третьем розеточном листе дикого типа 2 ветви имелось у 67% трихом, 3 — у 33%, а трихом с 4 ветвями не наблюдалось. Клетки поверхности листовой пластинки fas5 характеризуются существенно большим разбросом размеров, чем у дикого типа. Среди них можно заметить крупные клетки, не встречающиеся у растений дикого типа (рис. 1в, 1г). Образование таких клеток у мутанта, а также увеличение степени раз-ветвленности трихом указывают на более ранний переход клеток к эндоредупликации ДНК (удвоение ДНК без последующего деления клетки), приводящий к возникновению более крупных полиплоидных клеток.

Число розеточных листьев у мутанта снижено (таблица), что связано с более ранним образованием цветоноса. Число вегетативных узлов цвето-

Рис. 1. Морфология розеточных листьев мутанта/а85 и растений дикого типа: (а) — общий вид розеточных листьев (слева-направо) дикого типа и мутанта fas5; (б) — аномально разветвленная трихома на поверхности листа^5; (в, г) — верхняя сторона листовой пластинки fas5 и дикого типа соответственно.

носа со стеблевыми листьями у мутанта несколько увеличено, но эти различия не достоверны. По высоте цветоносов растения fas5 не отличаются от растений дикого типа (таблица).

Наиболее яркое проявление мутации fas5 — фасциация цветоноса — признак, который лег в

основу названия мутанта. Эта особенность связана с изменениями строения апикальной меристемы побега (АМП). АМП мутанта fas5 сильно увеличивается в размере по сравнению с АМП растений дикого типа (рис. 2а, 2б), что приводит к существенному разрастанию стебля в ширину

Сравнение морфометрических характеристик побега растений A. thaliana дикого типа (раса Dijon) и мутанта fas5

Показатель Dijon fas5

Число листьев розетки 8.2 ± 0.7 4.7 ± 0.6*

Высота побега 40.8 ± 4.8 43.8 ± 3.2

Высота вегетативной части Число узлов вегетативной части 20.5 ± 2.2 3.6 ± 0.65 22.0 ± 2.8 5.73 ± 1.02

Высота генеративной части Число узлов генеративной части

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»