научная статья по теме ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНА PINOID/ABRUPTUS С ГЕНОМ AGAMOUS – НЕГАТИВНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ ПРОЛИФЕРАЦИИ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК В МЕРИСТЕМЕ ЦВЕТКА ARABIDOPSIS THALIANA Биология

Текст научной статьи на тему «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНА PINOID/ABRUPTUS С ГЕНОМ AGAMOUS – НЕГАТИВНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ ПРОЛИФЕРАЦИИ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК В МЕРИСТЕМЕ ЦВЕТКА ARABIDOPSIS THALIANA»

ОНТОГЕНЕЗ, 2011, том 42, № 2, с. 146-150

ГЕНЕТИКА РАЗВИТИЯ

УДК 575.164

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНА PINOID/ABRUPTUS С ГЕНОМ AGAMOUS - НЕГАТИВНЫМ РЕГУЛЯТОРОМ ПРОЛИФЕРАЦИИ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК В МЕРИСТЕМЕ ЦВЕТКА Arabidopsis thaliana1 © 2011 г. У. Н. Кавай-оол1, О. Ю. Карпенко2, Т. А. Ежова2

1Тувинский государственный университет, Кафедра общей биологии, 667000 Кызыл e-mail: dr.urana@mail.ru

Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова Учреждение Российской Академии наук, 119991 Москва 2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Кафедра генетики, 119992 Москва e-mail: ezhova2001@mail.ru Поступила в редакцию 07.05.10 г. Окончательный вариант получен 28.06.10 г.

Выявлено комплементарное взаимодействие гена AGAMOUS с геном PINOID/ABRUPTUS. У двойного мутанта abr ag-1 наблюдается существенное усиление пролиферации клеток флоральной меристемы и образование ветвящихся побегоподобных цветков. Эти данные указывают на участие гена PID/ABR в ограничении пролиферации стволовых клеток флоральной меристемы. Выявленное в цветках мутанта abr повышение уровня транскрипции гена WUS, а также нарушение распределения ауксина, позволяют предполагать, что ген PID/ABR, контролируя транспорт ауксина, участвует в определении доменов экспрессии гена WUS.

Ключевые слова: развитие цветка, взаимодействие генов, стволовые клетки, транспорт ауксина, мутанты, Arabidopsis {НаИапа.

ВВЕДЕНИЕ

Полярный транспорт ауксина является важнейшим фактором морфогенеза растений. Локальные изменения концентрации ауксина (повышенные или, наоборот, минимальные) определяют судьбу клеток на всем протяжении онтогенеза, начиная с самых ранних этапов эмбриогенеза. В исследованиях на модельном растении Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. установлено, что в изменении концентрации ауксина в клетках важнейшую роль играют белки-транспортеры PIN, выносящие ауксин из клетки, и протеинки-наза PID (продукт гена PID/ABR), которая фос-форилирует белки PIN и обеспечивает возможность их полярной (ассиметричной) локализации на мембране клетки (Zhang et al., 2010). Градиент ауксина определяет апикально-базальную ось зародыша; высокие локальные концентрации ауксина маркируют положение развивающихся семядолей и гипофизиса, а на постэмбриональной стадии они определяют места положения латеральных органов и маркируют инициали будущих

1 Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований (проект № 10-04-00859-а) и федеральной це-

левой программой "Ведущие научные школы" (проект № НШ-3293.2010.4)

органов и сосудистых тканей (обзор Ре^а^ек апё Бг1ш1, 2009). Минимальные концентрации ауксина по краю плодолистиков маркируют участки разделительного слоя, по которым происходит вскрытие стручков А. 1каНапа (8оге1ап е! а1., 2009). Недавно установлено, что в процессе соматического эмбриоидогенеза градиенты ауксина определяют место экспрессии гена WUS (8и е! а1., 2009), активность которого необходима для инициации и поддержания пула стволовых клеток (СК) в апикальной меристеме побега и флоральной меристеме А. 1каНапа (Ьаих е! а1., 1996).

В отличие от функционирующего на протяжении всего жизненного цикла пула СК в апикальной меристеме побега, пул СК во флоральной меристеме существует в растениях дикого типа лишь до появления зачатков репродуктивных органов цветка. Это связано с активностью гена АО, который не только обеспечивает развитие тычинок и плодолистиков, но и терминирует флораль-ную меристему, путем подавления в ней транскрипции гена WUS (ЬепЬагё е! а1., 2001; ЬоИшапп е! а1., 2001). Мутации в гене АО приводят к эктопической пролиферации СК во флоральной меристеме: у мутантов ag цветок образует многочисленные органы, причем вместо тычинок и пести-

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНА PINOID/ABRUPTUS

147

ков развиваются лепестки и чашелистики (Соеп, Меуего'т12, 1991). Задачей данной работы было изучение влияния мутации abr, нарушающей функцию гена PID/ABR (Ежова и др., 2000), на проявление мутации ag-1. Для решения этой задачи провели анализ фенотипа двойного мутанта abr ag-1, исследовали уровень транскрипции гена WUS в цветках мутанта abr, а также распределение ауксина в растениях abr с использованием химерной конструкции DR5::GUS.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе использовали растения, гомозиготные по температурочувствительной мутации abr (линия К-150 из коллекции кафедры генетики МГУ, полученная на основе расы Dijon-M), а также линию, содержащую мутацию ag-1, которая получена от трехкратного скрещивания мутации ag-1 из линии CS25 (коллекция ABRC) с растениями расы Dijon-M. Для получения двойного мутанта abr ag-1 скрещивали растения мутанта abr, выращенные при 23—25°С, с растениями, гетерозиготными по мутации ag-1.

Для выявления участков локализации свободного ауксина использовали линию трансгенных растений A. thaliana DR5::GUS, в геном которых включен репортерный ген ß-глюкуронидазы GUS под контролем чувствительному к ауксину синтетического промотора DR5 (Ulmasov et al., 1997). Путем скрещивания с растениями расы Dijon-М (линия К-1) и мутанта abr получены гомозиготы по нормальной и мутантной аллелям гена ABR/PID и трансгену DR5::GUS. Растения выращивали в асептических условиях при 16 ч фотопериоде и температуре 23—25°С. После достижения стадии цветения (4 недели от посадки), часть растений переносили в условия 27—29°С, где они росли еще одну неделю. Анализ активности ре-портерного гена проводили на растениях в возрасте 5 недель как описано ранее (Ву и др., 2008).

Уровень транскрипции WUS оценивали с помощью метода ПЦР продуктов обратной транскрипции РНК в реальном времени (ОТ-ПЦР-РВ). Для выделения РНК использовался RNA Easy KIT фирмы QIAGEN с дополнительной обработкой ДНКазой. Обратную транскрипцию проводили с использованием набора cDNA Synthesis Kit (first strand) с 15T праймером (Silex, Russia). ПЦР-РВ проводили на приборе AHK-32 (Syntol, Russia). Для амплификации кДНК использовали следующие праймеры: для WUS CAGTCTTGTTCCATAGATCCATAG и CrCAATCTTTCCGAACTGTCrCA; для референс-ного гена EF1 TTGCTGTTGTAACAAGTGGATGC и AAGATTGGTGGTATTGGAACGG. Анализ проводили в 3-х повторностях.

Таблица. Особенности строения цветка у двойного мутанта йдк ag-1 и родительских линий Л. thaliana

Генотип Число ярусов Число латеральных

на главной оси цветка цветков

abr 1 ± 0 0

ag-1 4.6 ± 0.3 0.7 ± 0.1

abrag-1 8.5 ± 1.8 4.1 ± 0.6

Примечание: анализировали базальные цветки растений 8-ми недельного возраста; для всех генотипов просмотрено по 25 цветков.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Как и у мутанта ag-1, цветки двойного мутанта не имели тычинок и пестиков и состояли только из органов околоцветника, число которых существенно превышало обычное число органов цветка из-за более продолжительной пролиферации флоральной меристемы (рис. 1а—д). На генетическом фоне расы Эуоп-М мутация ag-1 вызывает образование многоярусных цветков, что связано с тем, что после образования нескольких мутовок ось цветка удлиняется перед образованием новой мутовки чашелистиков и вновь начинает формировать органы цветка (рис. 1б). Число таких ярусов повышается с возрастом растения и достигает в базальных цветках мутанта ag-1 в конце вегетации в среднем 3.6 (таблица). Цветки двойного мутанта abr ag-1 пролиферируют еще дольше (рис. 1г, д), чего не наблюдается у мутанта abr (рис. 1е). Среднее число ярусов в цветке abr ag-1 составляет 7.5 у растений 8-ми недельного возраста (таблица).

У мутанта ag-1 и двойного мутанта часто встречались химерные органы, состоящие из тканей чашелистиков и лепестков (рис. 1ж). Лепестки у двойного мутанта были крупными и часто двухлопастными (рис. 1з), как и у мутанта abr.

В отличие от мутанта ag-1, цветки двойного мутанта ветвятся (рис. 1д). Среднее число латеральных цветков на один многоярусный цветок составляет 4.1 (таблица), в то время как у мутанта ag-1 латеральные ветвления встречаются очень редко (0.7). Такой фенотип, свидетельствующий о комплементарном взаимодействии генов ЛBR и ЛG, можно объяснить выявленным в распустившихся цветках мутанта abr повышенным уровнем транскрипции гена WUS (рис. 2).

По-видимому, ген ЛBR в растениях дикого типа вместе с геном ЛЭ участвует в ограничении уровня экспрессии гена WUS и терминации флоральной меристемы. Отметим, что у одиночного мутанта abr также наблюдаются некоторые при-

148

КАВАЙ-ООЛ и др.

Рис. 1. Морфология цветка мутантов ag-1 (а, б), аЬг (е) и двойного мутанта аЬг ag-1 (в—д, ж—и) А. ШаНапа: а и б — цветки ag-1, состоящие из чашелистиков и лепестков (на рис. б видно появление нового яруса за счет растяжения оси цветка);

в—д — последовательные стадии развития цветка двойного мутанта; на рис. г стрелками отмечено положение частично или полностью опавших органов цветка нижних ярусов; на рис. д главная ось цветка имеет 6 ярусов, латеральные двухъярусные цветки отмечены звездочками;

е — верхушка соцветия мутанта аЬг, стрелкой отмечен фасциированный участок цветоноса; ж—и — сканирующая электронная микроскопия;

ж — эпидермальные клетки органов цветка двойного мутанта; справа и слева — лепестки, в центре — химерный орган, нижняя часть которого состоит из типичных для лепестка клеток, а верхняя (стрелка) из крупных клеток, характерных для чашелистиков;

з — трехъярусный цветок двойного мутанта; видно удлинение оси цветка перед каждой новой мутовкой чашелистиков; стрелкой обозначен крупный лепесток;

и — цветок двойного мутанта с пятью латеральными цветками (стрелки); верхняя часть главной оси удалена (отмечено звездочкой).

знаки, указывающие на эктопическую пролиферацию клеток как апикальной, так и флоральной меристем: фасциация цветоноса (у 12—40% растений мутанта аЬг, см. рис. 1е), длительный рост оси цветка и формирование гинофора (разрастание цветоложа между тычинками и пестиком), а также аномальное разрастание рыльцевых тканей. Влияние гена РШ/АВЯ на экспрессию WUS может быть связано с установленной недавно (8и е! а1., 2009) важной ролью градиентов ауксина в определении пространственных особенностей экспрессии гена WUS.

С использованием химерного гена ВЯ5::О№ (и1ша80У е! а1., 1997) нами выявлены существенные аномалии в распределении ауксина по тканям

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