Дение Происхождение цветковых растений (покрытосеменных) в значительной степени всё ещё окутано тайной, описанных ещё Дарвиным как отталкивающие (Крепет, 2000)
| Вид материала | Документы |
- В. и потапову а еще Поповой м … еще кому-нибудь Возникновение гос и права Теория Теократич, 234.29kb.
- -, 283.38kb.
- Тема: «Досуг молодёжи в Москве», 126.03kb.
- Лекция 13. Отдел Цветковые, или Покрытосеменные (Magnoliophyta, или Angiospermae) Происхождение, 168.17kb.
- Программа для поступающих в нввкус по специальности «Психология», 284.28kb.
- Использование природных лекарственных средств цел, 51.09kb.
- И часто используется в научной литературе, однако в современном глобализованном, 439.55kb.
- Программа вступительного экзамена по биологии в магистратуру по направлению 020200., 104.57kb.
- Незапланированной беременности-нет!!!, 20.97kb.
- Особенностью онтогенетического развития психики ребенка является то, что оно происходит, 12.52kb.
Санкт – Петербургский Государственный университет
Биолого-почвенный факультет
Кафедра Физиологии и Биохимии растений
Перевод научной статьи для сдачи кандидатского минимума по английскому языку
Edited by
KEITH LINDSEY
The Integrative Cell Biology Laboratory
University of Durham, UK
Polarity in Plants
Санкт – Петербург
2009
Полярность в развитии цветка
1. Введение
Происхождение цветковых растений (покрытосеменных) в значительной степени всё ещё окутано тайной, описанных ещё Дарвиным как отталкивающие (Крепет, 2000). Каким образом они могли внезапно появиться в конце Юрского периода и к Меловому периоду (130-90млн. лет назад) развиться так хорошо, что стали претендовать на доминирование с голосеменными, такими как хвойными деревьями цикадами. Сегодня, среди, по крайней мере, 250 тыс. сохранившихся до наших дней видов, цветковые растения развили удивительное разнообразие форм и структур цветка, что, несомненно, повлияло на их интенсивную эволюцию (Эндресс, 1999). Очевидно, что это цветочное излишество в большой мере было вызвано их совместным развитием с опылителями, достигнув наивысшей точки в прекрасной комплексности орхидного цветка (Рен, 1998; Нил и др., 1998). Способ, которым гены контролируют трёхмерную конструкцию организма, является новой «отвратительной загадкой» биологии. Для того, чтобы описать трёхмерную форму цветка, необходимы разные оси полярности. Мы можем рассмотреть полярность цветков на нескольких различных уровнях и, следовательно, мы составили эту главу таким образом, чтобы это отразить (рис.11.1). На уровне целого растения цветки производятся определённых пространственных типов, отражая организацию соцветий. Отдельные цветки также имеют полярность, как внутреннюю, вдоль радиальной оси, так и относительно их ориентации к апикально-базальной оси побега. И наконец, морфология цветковых органов отражает дополнительную полярность.
Последние молекулярные исследования обнаружили, что установка полярности в цветках и цветковых примордиях является заранее необходимым условием для их нормального развития. Оказывается, механизмы, устанавливающие полярность примордий, в значительной степени сохранены между листьями и органами цветка. Расширенный анализ также показал, что полярность цветка и органов цветка устанавливается путём интеграции сигналов, появляющихся на разных уровнях, от целого растения до цветка и самих примордий. В ответ на это, цветки и органы цветка развиваются как хорошо приспосабливающиеся к определённым условиям структуры, чья репродуктивная активность обеспечила эволюционный успех покрытосеменных.
В этом обзоре, мы уделим внимание главным образом, контролю за полярностью на каждом уровне развития цветка, на примере двух видов растений Арабидопсиса талиана и Антирринума маюс.
2. Полярность в архитектуре соцветий.
Появление примордий по бокам меристем соцветия следует разным строгим геометрическим дистрибуциям или филлотаксису, определяя большое разнообразие архитектур соцветий (Веберлини, 1989). Эти типы часто включают в себя тщательное производство вторичных соцветий и изменения в филлотаксисе во время перехода между вегетативным и цветковым развитием. Например, супротивное расположение листьев Антирринума контрастирует со спиральным расположением цветков в соцветии (Бредли и др., 1996). Полярная организация (соцветийной) меристемы (соцветия) отражает расположение в побеговой апикальной меристеме зародыша (рис.11.1.) (см. главу8). Апикальная центральная зона (CZ) включает в себя недифференцированные клетки, которые делятся медленно и постепенно замещают большую часть периферийных клеток на прилегающие домены. Реберная зона (RZ) располагается сразу под центральной и производит сердцевину стебля. По бокам, периферийная зона (PZ) окружает центральную зону и является местом появления цветковых примордий, также как и производства большой части ткани стебля. Следовательно, клетки вовлекаются в дифференцирующую ткань в ответ на позиционные сигналы излучающиеся центральной зоной меристемы и вращающиеся вокруг неё. В результате центральная зона действует как организующая точка соцветия.
2.1 Заложение цветка
Заложение цветка в Аробидопсисе изучалось путём анализа секторальных химер. Заложение каждого цветка начинается с пополнения блоков из четырёх основополагающих клеток по бокам меристемы соцветия. Механизм набора всё ещё остается неясным, но всё появляющиеся доказательства указывают на синтез и транспорт фитогормона, ауксина. Цветковые примордии поляризуются с момента их начала, в ответ на их положение по бокам меристемы (Боссингер и Смит, 1996). Эта сфера является объектом интенсивных исследований и новые волнующие открытия раскрывают механизмы контроля над разграничением адаксиальной (направленной на меристему соцветия) и абаксиальной (отвернутой от меристемы) области цветкового примордия (рис.11.1). В дополнение, оказывается, что раннее установление примордиальной полярности влияет на дальнейшее успешное апикально-базальное развитие цветка. Вовлечение ауксина в заложение цветка демонстрируется серией мутантов Аробидопсиса, что оказывает отрицательное воздействие на распределение ауксина и показывает ограниченные возможности цветка; фенотип, который может быть представлен обработкой не мутантного типа растений ингибиторами полярного транспорта ауксина (Окада и др., 1991). У соцветий мутантов сильной пин-дюрмы (pin1) часто полностью отсутствуют цветковые примордии. Кажется, что меристема имеет нормальную организацию, но её периферийная зона неспособна координировать заложение примордий (Вернокс и др., 2000). Ранние маркёры заложения цветковых примордий (LEAFY и AINTEGUMENTA) выражаются в круглый домен, покрывающий всю периферийную зону вместо того, чтобы появиться в отдельных определённых местах, которые предшествуют инициации примордий. В дополнение, экспрессия NAC домен гена CUP-SHAPED COTYLEDON2 (CUP2), который обычно определяет границы цветковых примордий, также растягивается на всю периферийную зону. PIN1 кодирует предполагаемый переносчик ауксина (Отток; Гэлвайлер и др., 1998). Местное применение ауксина по бокам мутантных меристем соцветий вызывает появление отростка, имитируя заложение примордия (Рейнхард и др., 2000) и показывая, что нехватка ауксина может отвечать за недостаточное заложение примордий в мутанте. Локализованные изменения уровня ауксина в периферийной зоне соцветийной меристемы, следовательно, имеют способность провоцировать отросток, влияют на филлотаксис и устанавливают границы цветковых примодий.
Похожие дефекты соцветия видны в pinoid (pid) и monopteros (mp) мутантах (Альварес и др., 1994; Беннетт и др., 1995; Прземяк и др.,1996). PID называется серинтреонин белковая киназа, которая или регулирует полярный транспорт ауксина, или его функцию (Кристенсен и др., 2000; Бенжаминс и др., 2001; Делонг и др., 2002). Согласуясь с ролью ауксина в заложении цветка, МР кодирует член семейства транскрипционных факторов (ARF) фактор реакции ауксина. Как и ожидается PIN1, PID и MP все выражаются в цветковых примордиях, до того как вырастает ткань. Точную роль ауксина в заложении цветка всё ещё остаётся выяснить. Было бы особенно интересно определить является ли ауксин центральной частью неустойчивого механизма контроля над филотаксином, или он только отвечает за него. FlOOZY (FZY) ген Питунии мог бы дать ключ к разгадке (Табена-СантаМария и др., 2002). FZY является моно-оксигеназоподобным белком, который, вероятно, вовлечён в синтез ауксина. Цветки, производимые на соцветиях fzy мутантов, состоят из пестика и единичного чашелистико подобного органа. FZY ген Петунии является аналогом YUCCA генов в Аробидопсисе (Жао и др., 2001) и будет интересно определить точную взаимосвязь между YUCCA генами, PIN1, PID, MP и локализованными уровнями ауксина в развивающимся цветке.
2.2. Адоксиально-абаксиальная ось.
В соцветиях мутантов нитчатого цветка (fil), пропорция цветков останавливается на более продвинутой стадии, чем в PIN1 и состоит из удлинённых нитей (Чен и др., 1999; Сава и др.,1999). FIL является членом семейства транскрипционных факторов YABBY и выражается во всех примордиях боковых побегов, включая появление цветков. Два других члена этого семейства, YABBY2 (YAB2) и YABBY3 (YAB3) выражаются подобным (сходным, похожим) образом (Зигфрид и др., 1999). Разрыв как FIL, так и YAB3 вызывает появление более серьёзного фенотипа; у которого большая часть цветков редуцирована (уменьшена) до нитеобразных структур, указывая, что два гена излишне контролируют развитие цветка. В дополнение, семядоли и листья также развиваются как частично радиализованные (лучеподобные) структуры (Зигфрид и др., 1999; Кумарин и др., 2002), раскрывая (обнаруживая) основную функцию в развитии примордия. Сначала FIL выражается во всём молодом цветковом примордии, но затем (позже) обосновывается на абаксиальной стороне (противоположном конце оси). Семейство YABBY генов определяет абаксиальную идентичность как в листовых, так и в цветковых примордиях (Бауман, 2000; глава 10). Разрыв адаксиально-абаксиальной полярности в листьях и Арабидопсиса, и Антирринума влечёт за собой (вызывает) производство радиально симметричных органов (Вейтс и Хадсон, 1995; Макконнелл и Бартон, 1998; Зигфрид и др, 1999). Следовательно, была высказана гипотеза, что установка адаксиально-абаксиальной полярности является необходимым условием для растяжения листовой пластины в боковом направлении (Вейтс и Хадсон, 1995). Аномальные нитчатые цветки, формируемые в FIL мутантах, показывают, что установка адаксиально-абаксиальной полярности в цветковом примордии также необходима для развития органов цветка.
Цветковые примордии (зачатки) имеют много общего с примордиями боковых побегов стебля, так как всем им необходима активация деятельности генов, контролирующих инициацию меристемы и поддержание её, таких генов как Shootmeristemless (STM (без побеговой меристемы)), Wuschel (WUS) и Clavata (CLV).
Мутации, влияющие на Revoluta (REV (revolute закрученный назад или вниз)), вызывают потерю большинства меристем боковых побегов стебля и преобразование некоторых цветков в нитеобразные (нитчатые) структуры (Талберт и др., 1995; Отсуга и др., 2001). В соцветиях растений гомозиготных и FIL и REV, все цветки редуцированы до нитчатых структур (Чен и др., 1999). REV транскрипты обнаруживаются на ранней стадии и их экспрессия (выражение) предсказывает инициацию цветковых примордий. Поскольку REV выражается до инициации мерисистемы и управляющих генов, и характер (тип, способ) его выражения похож (аналогичен) на типы начального выражения WUS и STM, возможно, что REV активирует WUS и STM в таких положениях (листах), которые должны стать меристемами цветка (отсуга и др., 2001). REV является членом гомеодоменлецитин zipper («застёжка молния», связывание) (HD-ZIP) семейства транскрипционных факторов и имеет сходства с PHABULOSA (PHB) и PHAVOLUTA (PHV), двумя главными регуляторами листовой адаксиальной идентичности (Макконнелл и др., 2001).
3. Полярность цветов (цветков).
Инициация цветковых примордий и их адаксиально – абаксиальный тип тщательно контролируются соцветийной меристемой и отражают (повторяют) апикально-базальную и радиальную (лучевую) полярности побега. Однако, по мере формирования цветков становится очевидным появление нового радиального образца (типа) с инициацией органов цветка. Покрытосеменные цветки имеют сохранённое распределение органов (Эндресс, 2001). Центр цветка занимают плодолистики (карпели), укрывающие скрытые (латентные) семяпочки. После оплодотворения семяпочки развиваются как семена в карпель производных плодах (фруктах). Плодолистики окружены тычинками (мужскими компонентами цветка), несущими четыре пыльцевых мешка в двух симметричных теках (сумках, спорангиях). У двудольных видов растений лепестки и чашелистики обычно завершают структуру цветка, но внешние органы однодольных цветов могут содержать разнообразие типов около цветных органов (Амброуз и др., 2000). Следовательно, цветки являются высоко поляризованными структурами, развивающими сложные образцы ( виды, типы) органов, тканей и клеточных типов (типов клеток).
Мы рассмотрим полярность цветков относительно двух осей, радиальной (лучевой) оси, которая видна у большинства растений и дорсо-вентральную (или адаксиально-абаксиальную) ось, которая имеется только у определённых видов (рис.11.1).
3.1 Дорсо-вентральная ось цветков.
В цветках, таких как Антирринум, дорсо-вентральная ось видна чётко, так как дорсальные лепестки сильно отличаются по форме от вентральных лепестков, производя цветок с билатеральной симметрией (зигоморфный, рис.11.2). Однако дорсо-вентральная ось не так видна в радиально симметричных (актиноморфных) цветах, таких как Арабидопсисе. В результате дорсо-вентральная ось активно изучается в Антирринуме, хотя как мы увидим далее, вероятно, что отличие (различие) между дорсиальной и вентральной сторонами цветками также существует в явно (очевидно) радиально-симметричных цветках (в цветках с явной радиальной симметрией).
Как отмечалось выше, цветковые примордии приобретают полярность вследствие их пространственного отношения с соцветийной меристемой. Очевидное доказательство этого предоставляет центр - радиальный (сеп) мутант Антирринума (Бредли и др., 1996). Дикий тип цветов Антирринума состоит из пяти чашелистиков, пяти лепестков, четырёх тычинок и двух соединённых (слившихся) вместе плодолистиков. Каждый из пяти лепестков попадает под один из трёх морфологически различных типа: два дорсальных, два латеральных и один вентральный. В дополнение к этому, единственная (1) дорсальная тычинка останавливается в развитии, оставляя стаминодий и сокращая количество (число) полностью развитых тычинок до четырёх (Карпентер и др., 1995; Эндресс, 1999). Соцветия Антирринума обычно остаются неопределёнными, а их меристема, до старости, непрерывно производит цветковые примордии по бокам. Однако, в сеп мутанте апикальная (верхушечная) соцветийная меристема развивается в цветковый примордий и производит один верхушечный цветок. В отличие от билатерально симметричных цветков, производимых по бокам соцветия, верхушечный цветок, производимый в сеп мутантах, является радиально симметричным (Бредли и др., 1996а). Симметрия этого цветка отражает его апикальное (верхушечное) положение и радиальную (лучевую) организацию стебля (цветоножки). Следовательно, соцветийная меристема действует (ведёт себя) как точка отсчёта (опоры) в установлении дорсо-вентральной асимметрии цветка.
Установление или перцепция дорсо-вентральной оси цветка является компромиссом у определённых мутантов, которые производят радиально-симметричные цветки, даже когда они появляются в нормальных (обычных) местах (положениях) по бокам апикальной меристемы. Такие радиально-симметричные или пелорик (peloric) мутанты известны в ряде видов, включая Антирринум (Луо и др., 1996; Кубас и др., 1999 b; Рудалл и Бейтман, 2003). Идеально радиально-симметричные цветки получаются, когда два частично избыточных гена, CYCLOIDEA (CYC) (сайклоайдиа) и DICHOTOMA (DICH) (дихотома), мутируются (Луо и др., 1996). В CYC DICH двойных мутантах все лепестки приобретают вентральную идентичность, и стаминодий развивается в обычную тычинку (Луо и др., 1996; Алмейда и др., 1997). Единичные мутанты или в CYC, или в DICH, приобретают лишь неполную потерю дорсо-вентральной асимметрии (рис.11.2). Оба гена принадлежат к ТСР семейству транскрипционных факторов (Кубас и др., 1999 а). В молодых цветковых примордиях и CYC, и DICH выражаются в дорсальный домен, отражая их функцию в установлении идентичности дорсальных лепестков и тычинок (Луо и др., 1999). Однако, выразительные (экспрессионные) типы CYC и DICH отличаются друг от друга внутри дорсального домена, при этом CYC выражается в области слегка более широкой, чем область выражения DICH на более поздних стадиях органического развития. Это происходит в согласии с фенотипом двух отдельных мутантов, т.к. CYC мутанты воздействуют на все лепестки, в то время как в DICH мутантах подвергаются воздействую только дорсальные лепестки (рис.11.2).
Дорсальная роль CYC очевидна в тыльных лепестках (back petals), полудоминантном капеле CYC (Луо и др., 1999). В этом мутанте CYC выражается эктопично в боковых и вентральных областях цветка на поздних стадиях, что в результате приводит к появлению боковых (латеральных) и вентральных лепестков, напоминающих боковую (латеральную) половину диких дорсальных лепестков. Третий полу-пелорический мутант, радиалис (radialis) RAD также известен, а фенотип сильных RAD аллелей подобен аллелю CYC (Карпентер и Коэн, 1990). Полагают, что, вероятно, RAD действует ниже (справа) от CYC (рис.11.2).
Оказывается, что CYC выполняет свою дорсальную (дорсализующую) функцию, подавляя вентральную (вентрализующую) функцию, выполняемую четвёртым геном, диварикатой DIV (DIVARICATA) (рис.11.2).
В отличие от вентрализованных цветков CYC DICH двойных мутантов, DIV мутанты демонстрируют увеличенную (усиленную) дорсальность; при которой вентральные и латеральные лепестки становятся более дорсальными (дорсализованными) (Аолмейда и др., 1997; Галего и Аолмейда, 2002). DIV также кодирует MYB транскрипционный фактор, но его выражение неограниченно в распространении только вентральной частью цветка. Анализ двойных мутантов продемонстрировал, что CYC и DICH контролируют (регулируют) супрессию (подавление) DIV активности в дорсальных и латеральных доменах цветкового примордия, хотя, оказывается, что эта регуляция является пост.транскрипционной (Галего и Аолмейда, 2002). CYC DICH DIV тройной мутант производит радиально-симметричные цветки, в которых все лепестки имеют латеральную идентичность, указывая на то, что латеральные лепестки могли бы иметь недостаточно полную лепестковую морфологию (Галего и Аолмейда, 2002). Выражение CYC неограниченно цветковыми примордиями. CYC также выражается в адаксиальном положении в некоторых пазушных меристемах побегов (Кларк и Коуэн, 2002). Любопытно, но то тже самое наблюдали в ТСР1, вероятном аналоге CYC арабидопсиса, что ТСР1 выражается в адаксиальном домене всех цветков и пазушных меристемах побегов (Кубас и др., 2001). Следовательно, CYC и ТСР1 оба выражаются в ответ на модель (образец), распределённую между вегетативными и репродуктивными примордиями (Кларк и Коуэн, 2002). Предполагают, что, поскольку зигоморфизм эволюционировал сам по себе несколько раз, возможно, что у разных видов используются разные механизмы для установления дорсо-вентральной полярности (Дена и др., 1998). Уже известно, что дорсо-вентральная полярность у Linaria зависит от CYC гомолога (Куюбас и др., 1999 b). Открытие того, что CYC подобный ген ТСР1 демонстрирует полярное выражение (экспрессию) в арабидопсисе, могло бы объяснить то, что тот же самый механизм, лежащий в основе асимметрии, мог бы использоваться, чтобы выработать (построить) дорсо-вентральную асимметрию во многих видах.
Фактически, даже Арабидопсис, который на зрелой стадии демонстрирует радиальную симметрию, показывает (имеет) на ранних стадиях развития транзиторную дорсо-вентральную асимметрию. Вентральный чашелистик (самый удалённый от соцветийной меристемы) всегда является первым примордиальным органом, который должен появиться, за ним следуют дорсальные и два латеральных примордия, определяя точки основы, от которых может производиться (отходить) положение внутренних органов (Смит и др., 1990; рис.11.1).
Остаётся неизвестным как устанавливается полярная экспрессия CYC/ТСР1 на ранней стадии примордиального развития, но адаксиально-абаксиальная полярность цветковых примордий является главным ключом для объяснения этого. Чтобы рассмотреть эту гипотезу, было бы важно определить, меняется ли ТСР1 экспрессия во многих мутантах Арабидопсиса, воздействуя при этом на примордиальную адаксиально-абаксиальную полярность. Существующая модель, описывающая установление адаксиально-абаксиальной полярности в листовых примордиях, включает в себя взаимодействие адаксиализирующих факторов PHB/PHV/REV с абаксиализующими факторами KANADI1/2 (KAN1/2) и YABBY семейством (Эшед и др., 2001; Макконнелл и др., 2001). Gain-of- functions, вызываемый мутациями, влияющими на домен PHB/PHV липидного связывания стерина (START), характеризуется адаксиализацией примордий листа. В растениях дикого типа, предполагается, что оба гена активируются в ответ на градиент неопределённого стерино-подобного лиганда, выделяемого апикальной меристемой побега (стебля). Современная альтернативная теория предполагает, что микро (RNAs) рибонуклеиновые кислоты, комплементарные к области, которая должна будет кодировать START домен, могли бы принимать участие в процессе передачи сигналов от меристемы к этим генам (Роудс и др., 2002; Танг и др., 2003).
Каков бы ни был данный механизм, результат доминантных мутаций в START домене заключается в том, что эти гены активируются во всём примордии, а их функции больше не ограничиваются только адаксиальной стороной (Макконнелл и др., 2001). Мутанты, в которых два KANADI гена сосуществуют друг с другом, также производят адаксиализированные листья, показывая, что KAN1/KAN2 могут участвовать в понижающей регуляции (даунрегуляции) PHB/PHV/REV функций на абаксиальной стороне листа. Это подтверждается экспериментами, в которых KAN гены выражаются эктопически, что приводит к адаксиализации листьев (Эшед и др., 2001). Следовательно, ранняя примордиальная полярность листьев основывается навзаимных антагонистических функциях адаксиализации и абаксиализации в тесном контакте с апикальной меристемой побега. Вероятно, что установление адаксиально-абаксиальной полярности в цветковых примордиях имеет похожий механизм (Керстеттер и др., 2001).
Эту гипотезу (предположение) можно исследовать путём детального анализа экспрессии этих генов в молодом цветковом примордии на немутантном (диком) и мутантном фоне.
3.2 Радиальная ось цветка.
Последние эксперименты показали, что экспрессии, или их отсутствие, у определённого ряда органически родственных MADS-box генов будет достаточно, чтобы поменять направление развития листьев в сторону цветковых органов, а цветковых органов в сторону листьев (Гото и др., 2001).
Хорошо известная ABC модель даёт основу для понимания того, как экспрессия органической идентичности генов в перекрывающих друг друга парах мутовок, приводит к детализации соответствующей идентичности цветкового органа в каждой мутовке (Коуэн и Мейеровитц, 1991). Добавление четвёртого класса родственного гена, SEP или Im класс, к АВС модели даёт достаточно информации для того, чтобы передать идентичность цветкового органа латеральному органу (Гутиеррец-Кортинес и Девис, 2000). Детализация соответствующей идентичности органа с помощью органически-идентичных генов требует чёткого пространственного и временного контроля над их экспрессией. Это означает, что специфические комбинации органически-идентичных генов должны быть активными в определённое время в соответствующих примордиях органа. Сейчас существует две точки зрения, касающиеся детализации (спецификации) цветковой органической идентичности (идентичности органов цветка) (Киффер и Девис, 2001; Ломан и Вайгель, 2002).
Здесь далее мы хотим сконцентрироваться на том, как интерпретируется радиальная полярность цветкового примордия, чтобы вызвать органическую экспрессию органически-идентичных генов. Сейчас это понятно лишь частично, но ясно, что этот процесс включает в себя механизмы, действующие на нескольких уровнях.
3.2.1 Инициация цветковых органов.
Дистрибуция примордий цветковых органов указывает на то, что они инициируются в ответ на позиционные сигналы цветковой меристемы и существующего ранее типа, устанавливаемым во время инициации цветка. Механизм, регулирующий инициацию органических примордий исследовался на примере мутантов, производящих аномальное число органов (Ран. и Хейк, 2001).
Упомянем ещё раз, что ауксин может играть важную роль в инициации примордий цветковых органов.
Floozy (FZY) мутанты Петунии, которые влияют на биосинтез ауксина, производят редуцированные цветки, состоящие из одного чашелистика и двух аномальных (ненормальных) карпелей (плодолистиков) (Тобена-СантаМария и др., 2002). Экспрессионный тип FZY подтверждает его участие в развитии второй и третьей мутовок, поскольку он выражается в молодых цветковых примордиях, а затем ограничивается кольцом клеток, окружающих примордии лепестка и тычинки, так же как и внутренними тканями чашелистика. FZY, по-видимому, не действует через гены органической идентичности, поскольку выражение гена идентичности лепестка (тычинка-протеин (белок)1 цветкового связывания) (Flora/Binding Protein1) (FBP1) в FZY меристемах нормальное, хотя его экспрессионный уровень редуцирован.
Следовательно, ауксин может участвовать в инициации примордий органов, но, по-видимому, процесс пространственного ограничения генов органической идентичности имеет другие механизмы. Ещё одно доказательство участия полярного транспорта ауксина в инициации органов дают мутанты Арабидопсиса, которые воздействуют на предполагаемый транспортёр ауксина PIN1, протеин киназу PID и фактор реакции ауксина ETTIN (ETT), все они вызывают разной степени изменения количества органов (Беннетт и др., 1995; Сессион и др., 1997). Мутанты в bZIP- кодирующем гене периантиа (PERIANTIA/PAN) вызывают уменьшение количества чашелистиков и лепестков (Хуанг и др.,1999). Увеличенное число органов коррелируется с уменьшенным расстоянием между появляющимися примордиями, тогда как размер меристемы остаётся неизменным. У двойных мутантов, влияющих на ETT и PAN, заметно синергичное увеличение числа лепестков, указывающее, что эти два гена имеют избыточные функции на разделительной мутовке 2 (Сессион и др., 1997). Сравните, мутантные цветки нетипичного гена petal loss (PTL) (потеря лепестка) и кодирующего гена YABBY filamentous flower (FIL) (нитчатый цветок) обычно имеют недостаточное количество лепестков (Гриффит и др., 1999; Савва и др., 1999). Наконец, tousled мутанты (TSL) характеризуются беспорядочной потерей органов у трёх внешних мутовок (Роу и др., 1993).
TSL ген является членом семейства ядерных протеин киназ, которые хорошо сохранились в царствах животных и растений. Человеческие tousled-подобные гены регулируются клеточным циклом и могут участвовать в хроматической реконструкции (Силлье и др., 1999). Следовательно, TSL гены могут потребоваться для координации быстрого размножения клеток в первичных примордиях.
Интересно то, что эти мутанты на разные мутовки влияют по-разному. Данный факт может говорить о существовании функционально избыточных генов (или путей обмена), а также указывать на возможное существование видовых механизмов мутовок. Действительно, увеличение численности стволовых клеток органов у мутовок происходит по-разному. Инициация чашелистиков и карпелей происходит на основе листовидных типов инициации, включающих восемь клеток в ряд; инициация лепестков зависит от меньших групп клеток, в то время как тычинки инициируются из блоков, состоящих из четырёх клеток (Боссингер и Смит, 1996).
Ещё один класс мутантов характеризуется чрезмерным производством цветковых органов во всех мутовках и, в некоторых случаях, потерей определённости и производством дополнительных мутовок. Этот класс мутантов, который включает clavata 1/2/3, wiggum/era1 и ultrapetala, производитцветковые меристемы большего размера, указывая, что эти подвергаемые влиянию гены являются частью путей обмена, контролирующих размер меристемы (Бранд и др., 2000; Цигельхоффер и др., 2000; Флетчер, 2001). Следовательно, увеличение числа органов у этих мутантов – является просто реакцией на увеличение числа клеток в каждой мутовке. Это предполагает, что процесс инициации органов очень гибок и, возможно, включает в мебя пространственный механизм инициации примордий. Анализ органически идентичных мутантов дал основание предположить, что, в большинстве случаев, идентичность развивающегося цветкового органа не влияет на число органов в данной мутовке. Однако, на некотором уровне прослеживается эта зависимость, так как некоторые мутантные комбинации оказывают влияние на число органов. Например, четвёртая мутовка антирринума С-функциональный мутант plena (PLE) состоит из двух мозаичных органов, инициированных в положении, когда две карпели преобразуются в дикий (немутантный) тип. Таким образом, потеря идентичности карпели не влияет на число органов в четвёртой мутовке. Однако, если PLE мутанты соединяются с мутантами в гене FARINELLI (FAR), ещё одним С-функциональным геном, который необходим для мужской фертильности (плодовитости) и подавления В-функциональных генов, то четвёртая мутовка развивается как пять лепестков (Дэвис и др., 1999).
3.2.2 Регулирование деятельности органически идентичных генов.
АВС гены органической идентичности ограничиваются своим доменом экспрессии с помощью сложного механизма, который ещё не до конца понятен. Изначально, гены транскрипционного фактора идентичности меристемы LEAFY (LEY) и APETALA1 (AP1) активируются во всей меристеме цветка, что является результатом ранней активации цветковых индукционных сигналов, таких как SOC1 и Сonstans (Co) (Симпсон и Дин, 2002).
LFY и AP1 оказывают влияние на активацию В-… и С-функциональных MADS-box генов, действуя вместе с необычными цветковыми органами (UFO). Изначально UFO выражается в центральном куполе цветковой меристемы. Во время развития цветка этот экспрессионный тип ограничивается пространством второй и третьей мутовок и, в конце, основанием лепестков. UFO кодирует не транскрипционный фактор, а скорее кодирует F бокс, содержащий белок (Инерам и др., 1995; Саамах и др., 1999). Вероятно, что UFO приводит к активации В-функциональных генов органической идентичности следующим образом. UFO образует часть SCF (SKp1-куллин-F-бокс-белок). Е3 убиквитин лигадный комплекс, известный как SCFUFO (Саамах и др., 1999; Жао и др., 2001а; Ванг и др., 2003).
SCF комплексы выделяют белки-мишени для расщепления 26S протеаподобным, а особенность выбора мишени определяется F-box белком. Что касается SCFUFO, вероятно, что UFO ген берёт ингибитора В-функционального выражения для расщепления, тем самым вызывая активацию В-функциональных генов. SCFUFO связывается in vivo с COP9 сигналоподобным (CSN), мульти протеиновым комплексом, который также взаимодействует с различными транскрипционными факторами и каналами (Ванг и др., 2003). Известно, что CSN взаимодействует с другими SCF-комплексами и регулирует их видоизменение. Следовательно, CSN, возможно, обеспечивает взаимосвязь между UFO и трансдикционными путями, участвующими в регулировании процесса развития цветка. Вместе с этим, CSN комплекс необходим для промежуточной активации UFO геном В-функциональных генов.
Вслед за активацией органически-идентичных генов генами меристем-идентичными и UFO, их экспрессионные типы улучшаются (очищаются) и усиливаются, благодаря регуляторным взаимодействиям между самими органически-идентичными генами и другими регуляторными генами. Улучшение экспрессионных типов происходит как на транскрипционном, так и на пост-транскрипционном уровнях. Например, В-функциональные факторы APETALA3 (AP2) и PISTILLATA (PI) взаимодействуют с целью улучшения экспрессии и AP3 генов, и PI генов, но белки стабильны только, когда они находятся вместе в одной и той же клетке (Крижек и Мейровитц, 1996). Таким же образом первичное совмещённое низкоуровневое выражение этих двух генов может улучшиться, чтобы усилить экспрессию гена только в области совмещения. Активность APETALLA2 (AP2) ограничивает выражение С-функционального гена AGAMOUS (AG) Агамус двумя внутренними мутовками. Однако, АР2 выражается во всех мутовках цветка и, поэтому, не может отвечать за пространственное ограничение одного только гена Агамус (Йофуку и др., 1994). Было найдено ещё несколько генов, контролирующих пространственное выражение В и С генов. В их число входит SUPERMAN (SUP) супермен, регулирующий экспрессионный домен В-функциональных генов; и LEUNIG (LUG) и SEUSS (SEU), которые ограничивают выражение С-функциональных генов (Сакай и др., 1995); Коннер и Лиу, 2000; Франкс и др., 2002). Таким образом, активация органически-идентичных генов в точных пространственных и временных доменах – это продукт ранних сигналов активации и комплекс взаимодействий между самими органически-идентичными генами и несколькими другими факторами.
Экспрессия органически-идентичных генов необходима для длительных периодов развития органов. Как только выражение устанавливается в соответствующих доменах, оно становится необходимым для поддержания правильных экспрессионных доменов. Мутант Арабидопсиса кудряво-лиственного предоставил первое доказательство того, что похожие эпигенетические механизмы используются для регулирования пространственного выражения органически-идентичных генов цветка и экспрессионных доменов неродственных генов сегментации DROSOPHILA HOX (Гудрих и др., 1997).
В мутантах Арабидопсиса кудряволиственного AG Агамусген выражается эктопически. CLF кодирует много комбинационный групповой белок, родственный гену усилителю (ZESTE), которые у животных действуют в комплексе для подавления Хокс генов. Белки родственные другим членам много комбинационного комплекса также присутствуют в геноме Арабидопсиса, что увеличивает возможность того, что аналогичные много комбинационные комплексы управляют пространственными экспрессионными типами гомеотических детерминантов (определителей) как у животных, так и у растений (Вагнер, 2003).
Использование таких хроматиновых механизмов для регулирования состояний активации и подавления гомеотических генов обеспечит миотическую стабильность и приведёт к фиксации временно установленных экспрессионных типов.
3.2.3 Цветковая детерминированность.
У большинства видов растительных организмов цветок является детерминированной структурой и, поэтому, требуется некий механизм для ограничения активности цветковой меристемы до производства определённого количества мутовок. Механизм контроля за детерминированностью включает в себя регулирование MAINTENANCE гена меристемы ВУС (WUS) (Ленхард и др., 2001; Ломан и др., 2001). Экспрессия ВУС усиливается в апикальной меристеме в течение всего периода развития растения, достигаянаивысшей точки в цветковых меристемах. ВУС действует вместе с LFY для того, чтобы активировать экспрессию С-функционального гена Агамуса (AG) в центре цветка, напрямую связываясь с AG геном.
Как только AG активируется, он подавляет экспрессию ВУС и, поскольку экспрессия ВУС необходима для поддержания меристемы, меристема теряет способность поддерживать себя самостоятельно. Таким образом, клетки цветковой меристемы видоизменяются и объединяются в карпели четвёртой мутовки, а дальнейшее их развитие останавливается. В яд мутантах, экспрессия ВУС в центре цветка не редуцируется, а цветки неопределённы. Очень возможно, что похожий механизм контролирует детерминированность у других видов, но сравнительный анализ Антирринума и Арабидопсиса открыл тот факт, что регуляция цветковой детерминированности, для достижения одинаковых концов похожими генами, организована немного другим образом.
Если С-функциональный ген отвечает за терминацию (ограничение) цветкового развития, подавляя ВУС, почему цветы имеют четыре мутовки? Поскольку С-функциональные гены выражаются и в третьей и в четвёртой мутовках, можно было бы ожидать, что подавление ВУС будет прекращать развитие цветка в третьей мутовке. В-функциональные мутанты Антирринума, DEF и GLO дают простой ответна этот вопрос. Эти DEF и GLO мутанты, действительно, прекращают развиваться после появления только трёх мутовок (Трёбнер и др., 1992) тем самым показывая, что окончание развития меристемы С-функциональным геном PLENA (PLE) противопоставляется в диком типе действием DEF и GLO в третьей мутовке. Однако в Арабидопсисе В-функциональные мутанты АР3 и PI имеют четыре мутовки, поэтому что-то ещё должно действовать для того, чтобы не дать AG остановить развитие цветка после формирования третьей мутовки (Шульц и др., 1991), как происходит в DEF или GLO одиночных мутантах Антирринума, показывая, что Арабидопсисе SUP также принимает участие в том, чтобы помешать AG остановить активность цветковой меристемы преждевременно. Подобные различия между Ад и PLE мутантными фенотипами также можно объяснить различиями в регуляторных сетях, контролирующих детерминированность у двух видов (Дэвис и др., 1999).