В отличие от животных, которые в большинстве случаев уже при рождении имеют все органы, которые потребуются им дальше в жизни, растения развиваются постепенно: у проростка из семени нет почти ничего, кроме маленького корешка и хрупкого стебелька. Для формирования новых органов (листьев, цветков и т. д.) в нужные моменты включаются нужные гены. Однако недавнее исследование показало, что это не единственный механизм: у резуховидок (род Arabidopsis) обнаружен ген STM, активность которого нужно подавить, чтобы органы растения нормально развивались. Ученые также выяснили, какие ферменты управляют экспрессией STM, и что они делают это, изменяя структуру хроматина. Такой механизм регулирования развития обнаружен у растений впервые.
Рис. 1. 10-дневные проростки Arabidopsis: слева — дикий тип (виден стебель и листья), в середине — с мутацией mp-12 (то есть с недееспособным геном MP), справа — с мутацией mp-12 и с подавленным синтезом ферментов ETT и ARF4. Длина масштабных отрезков — 200 мкм.
В отличие от животных, которые появляются на свет, уже имея зачатки всех органов, прорастающие из семян растения имеют только первичный корешок и росток. Все органы, которые мы наблюдаем у взрослых растений, — развитые корни, стебель, листья, цветы — формируются уже в ходе дальнейшей жизни растения из меристем — тканей, состоящих из интенсивно делящихся и сохраняющих физиологическую активность на протяжении всей жизни клеток. Клетки меристемы способны дифференцироваться в клетки любых тканей растения (то есть они плюрипотентны), аналогично стволовым клеткам животных.
В самом начале развития нового органа на его месте из меристемы образуется зачаточный бугорок — примордий. На верхушке побега расположена апикальная (верхняя) меристема, дающая по мере роста начало латеральным (боковым) меристемам, из которых развиваются боковые побеги, маргинальным (крайним) меристемам, из которых развиваются листовые пластинки, а также репродуктивной меристеме, образующей структуры цветка: лепестки, чашелистики, плодолистики и тычинки. Развитие новых органов из меристем запускают растительные гормоны ауксины, стимулирующие рост побегов, деление и дифференциацию клеток.
Исследования подробностей этих процессов с точки зрения генетики идут полным ходом. В одном из недавних номеров журнала Nature Communications была опубликована статья международной группы ученых, которые сосредоточились на ферментах группы ARFs (auxin response factors — «факторы ответа на ауксин»). Именно они, в ответ на воздействие ауксина, управляют в клетках меристем экспрессией генов, отвечающих за дифференциацию клеток и развитие из них новых тканей и органов. (Экспрессия генов проявляется в транскрипции информации с ДНК на РНК, откуда она потом «считывается» для синтеза белков в клетке). ARFs делятся на три класса: A, B и C; ферменты из класса A стимулируют транскрипцию, ферменты из классов B и C — напротив, подавляют.
В число ARFs класса B входят ферменты ETTIN (ETT) и ARF4, высокие концентрации которых обнаруживаются в примордиях — зачатках новых листов или почек на конусе нарастания побега. К классу A относится, в частности, фермент MONOPTEROS (MP), известный способностью активировать гены, отвечающие за формирование цветка.
Ранее уже было выяснено, что важную роль в регуляции развития органов растения из меристем играет фермент SHOOT MERISTEMLESS (STM). Он является фактором плюрипотентности, то есть отвечает за то, чтобы стволовые клетки меристем оставались в том же состоянии и не развивались в специализированные клетки других типов. Действие STM основано на подавлении синтеза в растительных клетках гормона цитокинина, запускающего процесс их дифференциации.
В обсуждаемой работе изучалась роль ферментов ETT, ARF4 и MP в развитии маргинальных (из которых развиваются листовые пластинки) и флоральных меристем растения, и их взаимосвязь с STM. В качестве модельного растения была взята популярная в таких исследованиях резуховидка (род Arabidopsis). Ученые использовали растения без каких-либо генетических изменений (дикий тип), а также три варианта генетически модифицированных резуховидок: с гипоморфным (снижающей уровень выработки кодируемого белка) аллелем кодирующего синтез MP гена (mp-S319), с подавленным синтезом ETT и ARF4 (с помощью белка SYD, модифицирующего структуру хроматина в соответствующих генах), и с комбинацией обеих генетических модификаций.
У растений дикого типа цветки развивались нормальным образом, у растений с аллелью mp-S319 получались уродливые недоразвитые зачатки бутонов, а у носителей обеих генетических модификаций побег не начинал формировать цветки вообще. При этом уровни экспрессии гена STM и индуцируемого им синтеза белка IPT7 (который, в свою очередь, регулирует уровень цитокинина), в этом ряду повышается (рис. 2).
Рис. 2. Участие ферментов ETT и ARF4 в развитии репродуктивного примордия у резуховидки. a — формирование цветков у дикого типа (WT), у растения с гипоморфным аллелем mp-S319, у растения и с гипоморфным аллелем mp-S319, и с подавленным синтезом ферментов ETT и ARF4; длина масштабных отрезков — 1 мм. b — количество цветков, формирующихся у растений указанных типов. c — экспрессия ключевых генов-факторов плюрипотентности в меристемах репродуктивного примордия растений указанных типов; стрелками указаны места, в которых экспрессия STM подавляется. d — экспрессия гена STM и уровень синтеза IPT7 у растений указанных типов.
Более того, 10-дневный проросток резуховидки с мутациями mp-12 (то есть с недееспособным геном MP) и подавленным синтезом ETT и ARF4 вообще не смог сформировать практически ни одного органа — таковым можно с большой натяжкой считать разве что зачаточный стебель (рис. 1). Получившийся побег имел булавовидную форму. Тело растения с одной только мутацией mp-12 представляло собой хотя и более разросшийся, но тоже сильно недоразвитый побег.
Можно сделать вывод, что ETT и ARF4, как и MP, влияют на развитие новых органов растения из различных меристем.
Дальнейшие исследования показали, что если ферменты ETT и ARF4 подавляют экспрессию STM напрямую, то MP (будучи стимулятором транскрипции) делает это через промежуточный фактор транскрипции FILAMENTOUS FLOWER (FIL). Во всех случаях это происходит через повышение плотности хроматина (основного вещества хромосом, состоящего из ДНК, РНК и белков) деацетилазой гистонов HDA19. Деацетилаза вызывает гипоацетилирование ядерных белков гистонов, которое, в свою очередь, уменьшает промежуток между нуклеосомой и намотанной на нее ДНК, что приводит в итоге к подавлению экспрессии гена.
Чтобы доказать важность фактора FIL, ученые заменили в ДНК резуховидки кодирующий его ген гипоморфным аллелем fil-8, и сравнили, как идет образование цветков у такого мутанта, у растений дикого типа и у растений с подавленным синтезом ETT и ARF4. Выяснилось, что при подавленным синтезе ETT и ARF4 цветки формируются даже быстрее, и в большем количестве, чем у дикого типа; при подавленном же синтезе FIL развиваются уродливые недоразвитые цветки. При обеих модификациях этот эффект выражен еще сильнее, а при дополнительном введении в репродуктивную меристему такого побега ингибитора ауксина NPA цветки фактически не формируются (рис. 3).
Рис. 3. Действие фактора транскрипции FIL в комплексе с ферментами ARF4 и ETT на развитие цветков из репродуктивной меристемы резуховидки. a (слева направо сверху вниз) — формирование цветков на побеге дикого типа (WT), у типа с подавленным синтезом ETT и ARF4, у типа с подавленным синтезом FIL, у растения с обеими генетическими модификациями, у старого растения с обеими генетическими модификациями, у растения с обеими модификациями и с введенным ингибитором ауксина NPA. b — количество цветков, формирующихся у растений указанных типов (Mock — без введения NPA).
Пока в описанных процессах остается много неясного. В частности, непонятно, как взаимодействуют друг с другом факторы MP, ARF4 и ETT при совместном подавлении экспрессии гена STM. Хотя из приведенных выше результатов экспериментов можно заключить, что они действуют в комплексе.
Механизм, в котором для развития определенных органов происходит подавление генов, описан у растений впервые. У животных существование подобных механизмов ранее уже было доказано. Исследования в этом направлении имеют большое практическое значение: поняв, какими факторами управляется органогенез у растений, можно повысить их урожайность.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
