1 Апикальные меристемы растений: апикальная меристема побега «ГЕНЕТИКА РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ» кафедра генетики и селекции СПб. ГУ 2008
2 План лекции 1. Меристемы растений, стволовые клетки и принципы организации ниш стволовых клеток 2. Генетический контроль структуры и функции апикальной меристемы побега 2. 1. Строение АМ побега 2. 2. Мутанты с нарушением развития АМ побега -мутанты с недоразвитием АМ (stm, wus) - мутанты с увеличением размера АМ (clv) 2. 3. Роль генов STM, WUS и CLV в апикальной меристеме побега - STM и WUS – транскрипционные факторы, регулирующие активность меристемы - Взаимодействие WUS и системы генов CLAVATA -Мишени действия транскрипционных факторов STM и WUS 2. 4. Гормональный контроль развития меристемы 3. Поддержание пула стволовых клеток в АМ побега
3 Меристемы растений Апикальные меристемы (АМ) Вегетативная АМ побега Латеральные меристемы зачаток листа АМ соцветия (камбий) флоэма камбий ксилема Меристема цветка зачаток чашелистика АМ корня Интеркалярные меристемы (вставочные)
4 Для того, чтобы АМ могла постоянно продуцировать новые органы, она должна обладать особыми свойствами: 1) Быть способной постоянно поддерживать недифференцированное состояние и обеспечивать постоянство развития; 2) Быть способной продуцировать клетки, способные к дифференцировке и формированию новых органов.
5 Стволовые клетки в апикальных меристемах побега и корня АМ побега SC – stem cells стволовые клетки АМ корня
6 Определение стволовых клеток Стволовые клетки (stem cells): Делящиеся клетки, потомки которых либо остаются в том же состоянии, что и материнские клетки (обычно называемое «недифференцированным» ) и таким образом пополняют популяцию стволовых клеток, либо претерпевают дифференцировку и дают начало новым органам и тканям. Ниша стволовых клеток (stem cell niche): локальное микроокружение, среда, поставляющая факторы, необходимые для поддержания стволовых клеток. M. R. Tucker and T. Laux, TRENDS in Cell Biology 2007
7 Стволовые клетки Пополнение популяции столовых клеток Стволовая клетка Дифференцированная клетка
8 Общий принцип организации «ниши» стволовых клеток дифференцированные клетки ранние стадии дифференцировки внутриклеточный сигнал «ниша» стволовых клеток «организующий центр» (organizer) Sablowski, Trends in Cell Biology, 2004, 14(11): 605 -611
9 Организация ниши стволовых клеток у животных и у растений Ниша стволовых клеток в яичнике Drosophila melanogaster Ниша стволовых клеток в корне Arabidopsis thaliana Scheres, Nat. Rev. Mol Cell Biol (2007), V. 8: 345 -354
10 Сигнальные каскады в клетках яичника Drosophila melanogaster Dpp и Gbb – BMPs (Bone morphogenetic proteins) морфогенетические белки костей GSC- Germline Stem Cells CB- Cystoblasts CC- Cap cells
11 Сигнальные молекулы, регулирующие поддержание запаса стволовых клеток у животных Ohlstein et al. , Current Opinion in Cell Biology 2004
12 Сравнение организации апикальной меристемы побега и корня апекс побега апекс корня cтволовые клетки OC – organizing center «организующий» центр, = «меристема ожидания» QC –quiescenter «покоящийся» центр Sarkar et al. , Nature (2007) V. 446: 811 -814
13 Генетический контроль структуры и функции апикальной меристемы побега В отличие от животных растения всю жизнь продуцируют новые органы. Все постэмбриональное развитие – это результат функционирования побеговой и корневой меристем.
14 Апикальная меристема побега ПАМ лист узел междоузлие фитомер Clark, Current Opinion in Plant Biology 2001
15 Строение апикальной меристемы побега CZ (central zone)-центральная зона – область недифференцированных клеток, которые медленно и с постоянной скоростью делятся, обеспечивая постоянство развития. Это стволовые клетки растения. PZ (peripheral zone)-периферическая зона – дочерние клетки CZ. Скорость и направление делений клеток PZ не постоянно; клетки способны к дифференцировке.
16 Изучение генетического контроля структуры и функции АМ методами классической ( «прямой» ) генетики: Выявлены два классов мутантов, имеющих противоположный фенотип: мутанты с увеличением размера АМ (clv 1, clv 2, clv 3, fas 1, fas 2) WT clavata 1 (clv 1) мутанты с недоразвитием АМ (stm, wus, zll (pnh); wuschel (wus) shootmeristemless (stm)
17 Мутанты с недоразвитием АМ WT wus stm
18 Мутанты по гену STM (SHOOT MERISTEMLESS) stm-1, stm-5 - аллели с высокой экспрессивностью мутантного признака ( «жесткие, суровые» ): -АМ не закладывается в эмбриогенезе; -крупные вакуолизированные клетки между семядолями (на месте меристемы); -семядоли могут сливаться. stm-2 – «мягкая, слабая» аллель: -АМ с небольшим числом клеток - Образует 1 -3 листа и несколько побегов из пазух листьев. stm-6 – аллель с самой низкой экспрессивностью: Мутанты цветут, но число органов цветка значительно меньше, чем в цветках дикого типа.
19 Гипотеза о функции гена STM: ген необходим для закладки АМ в эмбриональном развитии, для предотвращения дифференцировки клеток ЦЗ апикальной меристемы в процессе вегетативного и репродуктивного развития.
20 Мутанты по гену WUS (WUSCHEL) дикий тип -в эмбриогенезе АМ образуется, но уменьшенная, состоящая из крупных вакуолизированных клеток; - АМ побега формирует несколько листьев и прекращает свое развитие; wus - на придаточных побегах могут закладываться цветки с нормальным числом чашелистиков и лепестков, но преращающих развитие с формированием единственной тычинки Mayer et al. , Cell 1998
21 Гипотеза о функции гена WUS: ген необходим для формирования нормальной АМ в эмбриогенезе, для поддержания клеток ЦЗ апикальной меристемы в стволовом состоянии в процессе вегетативного и репродуктивного развития.
22 Мутанты с увеличенной АМ WT clv 1
23 Мутанты по генам СLV 1, CLV 2, CLV 3 (CLAVATA) Clavatus –лат. «булавовидный» многолистная розетка фасциация стебля увеличение числа органов цветка увеличение числа плодолистиков Плод «матрешка»
24 Гипотеза о функции генов CLV: гены необходимы для ограничения размера АМ в эмбриогенезе и на всех стадиях постэмбрионального развития, а также для ограничения пролиферации ФМ.
25 Роль генов STM, WUS и CLV в апикальной меристеме побега
Экспрессия генов STM, WUS, CLV 1 и CLV 3 в апикальной меристеме побега 26
27 Экспрессия меристемных генов на ранних этапах развития cotyledon побеговая меристема апикальная базальная зигота 1 -клеточный зародыш 8 -клеточный зародыш 16 -клеточный зародыш глобула WUS STM CLV 1 сердце проросток
28 Экспрессия генов STM и WUS в апикальной меристеме побега WUS STM Bowman J. , Yuval E. Trends in Plant Science, 2000, V. 5. , N. 3, pp. 110 -115
Гены семейств KNOX (STM) и WOX (WUS) кодируют гомеодомен-содержащие транскрипционные факторы Гены семейства KNOX арабидопсиса Гены WOX у арабидопсиса и у других растений 29
30 Гомеодомен-ДНК - комплекс Структура транскрипционного фактора с ДНК-связывающим гомеодоменом N вариабельный уч. гомеодомен С
31 Экспрессия генов STM и WUS в апикальной меристеме побега на разных стадиях развития Jürgens The EMBO Journal 2001
32 Экспрессия гена STM в АМ побега Схема доменной организации белка STM N KNOX GSE ELK HD C Выявление экспрессии гена STM на разных этапах развития АМ методом гибридизации in situ Moussian et al. , The EMBO Journal 199
33 Ген кукурузы KNOTTED 1(KN 1) – гомолог гена STM арабидопсиса KNOTTED 1 первый клонированный гомеобокс-содержащий ген растений (Vollbrecht et al. , 1991), - клонирован «вытягиванием» за транспозон Доминантная мутация kn 1 (gain-of-function): -отсутствие лигулы -появление узелков (knots) на листьях, вокруг жилок
34 Экспрессия гена WUS в АМ побега Экспрессия гена WUS в центральной зоне меристемы Структура транскрипционного фактора WUS N HD C Ядерная локализация гибридного белка WUS -GUS (в клетках эпидермиса лука) 291 а. о. WUS -бокс Mayer et al. , Cell 1998
35 Экспрессия гена WUS в эмбриогенезе Mayer et al. , Cell 1998
36 Изучение взаимодействия генов STM и WUS
37 Изучение взаимодействия генов STM и WUS: 1. Анализ фенотипа двойных мутантов stm wus (метод классической, прямой генетики) stm-5/+ x wus-1/+ По генотипу 9 +/+ : 3 wus-1/+ : 3 stm-5/+ : 1 stm-5/ wus-1 По фенотипу 9 wt : 3 wus-1 : 4 stm-5 wus-1 = stm-5 эпистаз Вероятно, гены осуществляют последовательные этапы одного процесса: продукт STM действует раньше, чем продукт гена WUS
38 НО: Ген WUS начинает экспрессироваться в эмбриогенезе раньше, чем ген STM cotyledon побеговая меристема апикальная базальная зигота 1 -клеточный зародыш 8 -клеточный зародыш 16 -клеточный зародыш глобула WUS STM сердце проросток
39 Изучение взаимодействия генов STM и WUS: 2. Анализ трансгенных растений с измененной экспрессией генов (метод обратной генетики) STM ANT: : STM ? WUS (эктопическая экспрессия STM в листовых примордиях) WUS 35 S: : WUS-GR (активация экспрессии WUS в меристеме) ? STM Отсутствие изменений в характере экпрессии WUS (и CLV 3) - Отсутствие изменений в характере экпрессии STM и других KNOX генов, - Активация экспрессии CLV 3 WUS и STM регулируют меристематическую активность клеток независимо друг от друга
40 Роль генов STM и WUS в апикальной меристеме побега WUS STM Поддержание пула стволовых клеток в меристеме Предотвращение дифференцировки клеток меристемы
41 Взаимодействие WUS и системы генов CLAVATA
42 Изменение характера экспрессии CLV 3 у трансгенных растений ANT: : WUS Увеличение домена экспрессии CLV 3 в растениях ANT: : WUS
43 Изменение характера экспрессии CLV 3 у трансгенных растений ANT: : WUS Увеличение домена экспрессии CLV 3 в растениях ANT: : WUS CLV 3
44 Экспрессия. WUS у трансгенных растений с измененной экспрессией CLV 3 Анализ экспрессии WUS методом гибридизацииin situ дикий тип мутант clv 3 35 S: : CLV 3 (сверхэкспрессия CLV 3)
45 Экспрессия. WUS у трансгенных растений с измененной экспрессией CLV 3 Анализ экспрессии WUS методом гибридизацииin situ дикий тип мутант clv 3 CLV 3 35 S: : CLV 3 (сверхэкспрессия CLV 3) WUS
46 Взаимодействие WUS и системы генов CLAVATA Дикий тип Сверхэкспрессия CLV 3 мутант CLV 3 Гены-антогонисты - частое явление в генетике развития. По-видимому, они позволяют осуществлять тонкую регуляцию процессов развития.
47 Регуляция экспрессии гена WUS в АМ с участием белков CLAVATA CLV 3 CLV 1 CLV 2 CLV 1 и CLV 2 кодируют рецепторные белки (c лейцин-богатым LRR–доменом), работающие в виде гетеродимера CLV 1/CLV 2 CLV 3 – лиганд 96 а/к, связывается рецепторным комплексом CLV 1/CLV 2 с
48 Рецепторные киназы растений c LRR–доменом (Leucine-rich repeat receptor kinases) Структура гена рецепторной LRR-рецепторной киназы Haffani et al. , Can. J. Bot. 2004
49 Регуляция экспрессии гена WUS в АМ с участием белков CLAVATA From Gresshoff et al. , 2003
50 Мишени действия транскрипционных факторов STM и WUS
51 Мишени STM Экспрессия гена AS 1 (Asymmetric leaves 1), отвечающего за развитие листового примордия, у мутантов stm-1 дикий тип Взаимодействие STM и AS 1 -AS 2 в апексе побега
52 Мишени STM STM IPT (биосинтез цитокинина) GA 2 ox (дезактивация гибереллинов)
53 Мишени STM Взаимодействие STM (генов KNOX) и генов, вовлеченных в метаболизм цитокинина и гиббереллина в апексе побега
54 Мишени ТФ WUS Создание трансгенных растений с регулируемой (индуцибельной) экспрессией WUS (WUS под контролем Et-OH-чувствительного промотора) WUS Транскрипционный фактор alc. R + Et-OH STM LFY Гены, используемые как контроли Полномасштабный анализ экспрессии генов (microarray) у трансгенных растений с активацией WUS (при добавлении Et-OH)
55 WUS негативно регулирует экспрессию генов ARR А-типа (гены первичного ответа на цитокинин):
56 Цитокининовый сигналинг Tucker and Laux TRENDS in Cell Biology 2007
57 Взаимодействие транскрипционных факторов STM и WUS и фитогормона цитокинина ST M RR B-типа цитокинин At. IPT RR А-типа WUS цитокинин Cyc. A Cdk Cyc. D Cdk S G 2 Клеточный цикл G 1 M Cyc. B Cdk Цитокининовый ответ
58 Регуляторная сеть, контролирующая функцию АМ побега Sablowski, Current Opinion in Plant Biology 2007
59 WUS регулирует поддержание запаса стволовых клеток Стволовые клетки ? WUS
60 Каким образом WUS регулирует поддержание запаса стволовых клеток? 1 2 Гибридный белок WUS-GUS (1) локализован в организующем центре АМ побега, но не в зоне стволовых клеток Сам белок WUS не является сигналом для стволовых клеток СИГНАЛ - ?
61 План лекции 1. Меристемы растений, стволовые клетки и принципы организации ниш стволовых клеток 2. Генетический контроль структуры и функции апикальной меристемы побега 2. 1. Строение АМ побега 2. 2. Мутанты с нарушением развития АМ побега -мутанты с недоразвитием АМ (stm, wus) - мутанты с увеличением размера АМ (clv) 2. 3. Роль генов STM, WUS и CLV в апикальной меристеме побега - STM и WUS – транскрипционные факторы, регулирующие активность меристемы - Взаимодействие WUS и системы генов CLAVATA -Мишени действия транскрипционных факторов STM и WUS 2. 4. Гормональный контроль развития меристемы 3. Поддержание запаса стволовых клеток в АМ побега
Скачать презентацию 1 Апикальные меристемы растений апикальная меристема побега ГЕНЕТИКА
Лекция 10_AM побега.ppt