Гены идентичности цветковых меристем (стр. 3 из 4)

Ген арабидопсиса LFY был клонирован по гомологии с геном львиного зева FLO. В отличие от многих других гомеозисных генов, затрагивающих развитие цветка, FLO и LFY, похоже, уникальные гены и не являются членами генного семейства. Кодируемые ими белки были на 70 % гомологичны друг другу и не обладали значительной гомологией ни с одним из известных на момент их клонирования белков. Наличие богатого пролином домена на N-конце и кислой области в центральной части белка свидетельствуют о том, что, вероятно, они могут служить активаторами транскрипции. Подтверждается это и тем, что белок Lfy локализован в основном в ядре. Характер их экспрессии очень похож. РНК FLO и LFY начинает накапливаться в закладывающихся зачатках цветка на границе цветочной меристемы и не обнаруживается в генеративной меристеме. В момент приобретения цветочными меристемами морфологических различий (стадии 1 и 2) экспрессия усиливается в равной степени по всему молодому зачатку цветка. На стадиях 3 и 4, когда индуцируется экспрессия генов идентичности органов, РНК FLO и LFY уже практически не обнаруживается в центре начинающего формироваться цветка. Из известных генов они первыми начинают экспрессироваться в клетках, из которых затем сформируется цветок.

Рис.2. Схематическое изображение генеративного побега арабидопсиса и начальные этапы экспрессии генов, регулирующие развитие цветка.

Однако в характере экспрессии FLO и LFY есть одно важное отличие, помогающее понять, как развиваются меристемы. Различие является следствием того, что у цветка львиного зева есть прицветники, а у цветка арабидопсиса их нет. Ген FLO экспрессиру-ется как в примордиях прицветников, так и в цветковых меристемах. В то же время для гена LFY не наблюдается экспрессия в клетках, окружающих цветковые меристемы, и, вероятно, соответствующих клеткам львиного зева, из которых образуются прицветники. У мутантов Ify на месте цветков дикого типа без прицветников образуются генеративные побеги или «цветки» с околоплодными листьями, которые можно отождествлять с прицветниками. Значит, продукт LFY дикого типа подавляет инициацию или образование прицветников. Предполагают, что ген LFY влияет на судьбу группы клеток на периферии цветочной меристемы: в цветках дикого типа все или большинство этих клеток формируют цветочную меристему, тогда как у мутантов Ify эти клетки дают начало меристеме и примордию прицветника. В этом отношении мутант Ifyпохож на дикий тип растений таких видов, как Antirrhinummajus, у которых из одного зачатка образуются меристема цветка и прицветник. Считается, что наличие прицветников - эволюционно более древний признак.

Насколько универсальны охарактеризованные механизмы индукции цветка? Пока что на этот вопрос ответить не просто. Похоже, что для табака, который является более близким родственником львиного зева, чем арабидопсис, индукция развития цветковой меристемы происходит по-другому. Гены табака NicotianatabacumNFL1 и NFL2, гомологи генов FLO и LFY, транскрибируются во время как вегетативного, так и репродуктивного развития растений. Их экспрессия не инициируется во время индукции цветка, как это характерно для генов FLO и LFY. Возможно, это связано с тем, что табак имеет терминальный цветок, в то время как соцветия львиного зева и арабидопсиса не детерминированы. Трансгенные растения арабидопсиса, в которых конститутивно экспрессируется ген LFY, тоже имеют терминальный цветок. В геномах диплоидных растений львиного зева и арабидопсиса имеется только одна копия гена FLO или LFY. Табак же является аллотет-раплоидом, и каждый из его диплоидных геномов содержит по одной копии гомологичного FLO/LFY гена.

2.2 Молекулярная характеристика генов SQUA (львиный зев) и AP1 (арабидопсис)

Ген львиного зева SQUA был клонирован с использованием в качестве пробы гена DEF из этого же растения, содержащего MADS-бокс (MADS-бокс — это последовательность ДНК, кодирующая домен MADS. Он получил свое название от четырех клонированных первыми генов с этим боксом: МСМ1, AGAMOUS, DEFICIENS, SRF. Домен MADS представляет собой консервативную область белков - факторов транскрипции, участвующую в связывании с ДНК (подробнее об этом см. далее). По гомологии с DEF было выделено 9 независимых генов львиного зева. Один из клонов при гибридизации геномных блотов по Саузерну проявлял рестрикционный полиморфизм для ДНК дикого типа и нестабильной мутации squa-29. Ревертанты SQUA имели фрагмент ДНК такой же длины, как и растения дикого типа.

Ген арабидопсиса API был клонирован как новый член семейства генов, содержащих MADS-бокс.

Белки Squa и Apl характеризуются 68%-ной гомологией. Наличие в этих белках домена MADS предполагает, что они могут специфически связываться с ДНК и функционировать как активаторы транскрипции. РНК SQUA и API индуцируется в молодых цветочных примордиях, как только они становятся видимыми на границе генеративной меристемы (чуть позже, чем РНК FLO и LFY). На стадиях I и 2 РНК SQUA и API однородно экспрессируется по всему примордию цветка (рис. 11.33), на стадии 3 экспрессия снижается в двух внутренних мутовках, и затем РНК API обнаруживается только в примордиях чашелистиков и лепестков. РНК SQUA, кроме того, менее интенсивно экспрессируется и в примордиях прицветников и карпел. В вегетативных органах, за исключением самых верхних листьев, примыкающих к соцветию, РНК SQUA не обнаруживается (рис. 11.32, в).

Ген SQUA экспрессируется в мутантах flo, а ген FLO — в мутантах squa. Таким образом, FLO и SQUA активируются независимо друг от друга. Подобным образом, ген LFY экспрессируется в мутантах apl. Фенотип двойных мутантов flosquaи Ifyaplвыражен значительно сильнее, чем фенотип одиночных мутантов по этим генам, что также свидетельствует о независимом и синергид-ном действии этих генов в процессе формирования цветковой меристемы и о частичной вырожденности их активностей.

Ген LFY не только необходим для формирования цветка, но и достаточен для определения идентичности цветка, т.е. развития меристемы как цветковой меристемы. Основной побег трансгенных растений p35S::LFY с конститутивной экспрессией этого гена переходит к цветению раньше, чем растения дикого типа, а вторичные побеги превращаются в цветки. Хотя ген API экспрессируется несколько позднее, чем LFY, он тоже необходим для инициации развития цветка. Конститутивная экспрессия трансгена p35S::APl тоже ускоряет переход растения к цветению и приводит к образованию цветков на месте вторичных побегов. По-видимому, гены LFY/AP1 и FLO/SQUA оказывают наибольшее влияние на инициацию цветковых меристем. Однако в этот процесс вносят определенный вклад и другие гены.

2.3 Молекулярная характеристика гена CAL (арабидопсис)

Ген арабидопсиса CAULIFLOWER очень похож на ген API, что и было использовано для его клонирования. Как и API, ген CAL тоже кодирует белок с доменом MADS, и, следовательно, тоже может являться активатором транскрипции. Последовательности белков Cal и Apl имеют гомологию 70 %. Внутри домена MADS они различаются только пятью аминокислотными остатками из 56, т. е. оба белка, вероятно, узнают похожие последовательности ДНК и участвуют в регуляции сходных генов. Таким образом, функциональная вырожденность этих генов, обнаруживаемая в генетических исследованиях, подтверждается их структурным сходством. Однако, хотя данные молекулярного анализа хорошо согласуются с фактом функциональной вырожденности генов CAL и API, они не дают ответа на вопрос, почему CAL может только частично заменять API.

Ген CAL начинает экспрессироваться в примордиях цветков одновременно с геном API, и затем тоже обнаруживается только в примордиях двух наружных мутовок органов. В отличие от API, РНК которого накапливается в больших количествах в процессе развития лепестков и чашелистиков, РНК CAL в примордиях этих органов обнаруживается лишь в небольших количествах. Возможно, именно поэтому CAL неспособен заменить API при формировании лепестков и чашелистиков. Какова же роль гена CAL в развитии цветка? Данные молекулярного анализа свидетельствуют о том, что в двойных мутантах aplcalконцентрация РНК LFY очень сильно редуцирована, в то время как в мутантах aplона не отличается от таковой для дикого типа. Таким образом, функция CAL может заключаться в поддержании активности гена LFY. Вероятно, поэтому и фенотип тройных мутантов Ну aplcalне отличается от фенотипа двойных мутантов Ifyapl: если ген LFY инактивирован, ген CAL уже неспособен влиять на его активность.

Соцветия цветной капусты Brassicaoleraceavar. botrytis и капусты-брокколи Brassicaoleraceavar. italica представляют собой одну из аномалий развития цветка. Как и многие другие разновидности используемой для еды капусты - такие, как капуста белокочанная и краснокочанная, брюссельская, листовая, - обе эти разновидности тоже произошли от Brassicaoleracea дикого типа. Как известно, Brassica и арабидопсис относятся к одному семейству - крестоцветных, и их соцветия дикого типа и фенотипа cauliflowerморфологически очень похожи. При исследовании двух достаточно отдаленных видов растений, арабидопсиса и львиного зева оказалось, что механизмы, контролирующие развитие цветка, у них довольно консервативны. Гомологи почти всех клонированных генов есть у обоих видов, и типы их экспрессии очень похожи. Следовательно, не должно быть сюрпризом то, что молекулярная основа фенотипа cauliflowerу арабидопсиса и близкородственной Brassicaoleraceavar. botrytis могут быть идентичны. Чтобы проверить, так ли это на самом деле, были клонированы гомологи гена CAL - bobCAL из цветной капусты, boiCAL из брокколи и boCAL из Brassicaoleracea дикого типа. Как оказалось, открытая рамка считывания гена bobCAL прерывается стоп-кодоном в пятом экзоне, и соответствующий мутантный белок имеет молекулярный вес 17 кДа вместо белка дикого типа с молекулярным весом 30 кДа. В гене boiCAL не обнаружили подобный стоп-кодон, однако, в нем имеется делеция кодонов пяти аминокислотных остатков, а также аминокислотные замены в двух из трех кодонах, которые изменены у мутанта арабидопсиса cal-1. Таким образом, эти данные свидетельствуют в пользу того, что фенотипы соцветий цветной капусты и брокколи по крайней мере частично обусловлены мутациями в гене CAL.