Генетика развития растений Развитие рост дифференцировка

Генетика развития растений Развитие = рост + дифференцировка Развитие клетки, ткани, органа (морфогенез)

Развитие листа

Структура листа Пластиды Кутикула Эпидермис Палисадный мезофилл Губчатый мезофилл Строма Устьица Ксилема и флоэма

Основные события в развитии листа: 1. Закладка листового примордия 2. Определение симметрии листа P 2 P 1 Р 0 ПАМ граница ad prox P 0 ab -STM, цитокинины -AS, ANT, ауксины dist 3. Определение формы листа (цельный, рассеченный, сложный)

Инициация листового примордия: 1. Появление локального максимума концентрации ауксинов 2. Репрессия транскрипции генов KNOX: 3. Начало экспрессии гена ANT DR 5: : GUS

Роль генов KNOX в регуляции развития листьев • В норме гены KNOX класса I никогда не экспрессируются в листовых зачатках STM • KNAT 1 предположительно играет основную роль в развитии листа экспрессия KNOX пролиферация клеток • Возможно возобновление экспрессии KNOX генов на более поздних стадиях развития листа: формирование сложных листьев

Гены ASYMMETRIC LEAF (AS 1 и AS 2) – репрессоры KNOX генов в листовых примордиях • Продукты генов AS – Транскрипционные факторы семейства MYB (AS 1) семейства LOB (AS 2) STM AS 1, AS 2 • Фенотипы мутантов: пролиферация клеток листового зачатка, нарушение симметрии листа • Ортологи гена AS 1 Arabidopsis: RS 2 (Zea mais), PHAN (Anthirrinum majus)

Механизмы репрессии KNOX генов с помощью ТФ AS • AS 1 и AS 2 образуют гетеродимеры, которые взаимодействуют сайтами X и Y в промоторах KNOX генов • Делеция сайтов Х или Y приводит к экспрессии KNOX генов в листьях

Эпигенетические механизмы репрессии KNOX генов 1. Кратковременная репрессия (только иницииация примордия) AS 2 HDAC AS 1 HIRA Ac Ac Деацетилирование гистонов: Гистоновый шаперон HIRA, взаимодействующий с гистон-деацетилазами (HDAC) и димерами ТФ AS 1 -AS 2 ring 1 a, 1 b 2. Долговременная репрессия (инициация и развитие) 1. Метилирование гистонов: Белок CURLY LEAF (CLF) в составе Polycomb комплекса 2. Убиквитинирование гистонов: Белок LHP, Убиквитинлигазы RING 1 a и 1 b

Пролиферация клеток листового примордия: ген AINTEGUMENTA (ANT) ауксины ? ANT циклины ? пролиферация клеток YABBY Продукт гена ANT – ТФ семейства APETALA 2 ? симметрия листа ant WT 35 S: : ANT

Ауксины запускают дифференцировку клеток примордия Пример – дифференцировка элементов проводящей системы

Ауксины – ключевые регуляторы инициации листа Локальные максимумы концентрации ауксинов Транспорт ауксинов в ПАМ Рецепция и передача сигнала ауксинов Белки PIN Синтез ауксинов в молодых листьях ТФ ARF гены Н-АТФаз, гены экспансинов растяжение клеток изменение направления деления ген AS 2 (Auxin Response Factors) ? ? ? репрессия генов KNOX ограничение зон экспрессии AS и ANT дифференцировка клеток отделение примордиев от ПАМ

Полярный транспорт ауксинов (ПАТ) и инициация листа Направление ПАТ задают белки PIN, обеспечивающие выход ауксинов из клетки в определенном направлении Для PIN белков характерна полярная локализация на мембране PIN Мутанты pin (pinformed) формируют очень мало листьев и цветков

Полярный транспорт ауксинов и инициация листа Гены PIN 1 и STM имеют комплементарный характер экспрессии в ПАМ P 2 p. DR 5: : 3 XVENUS-N 7 P 1 P 0 p. PIN 1: : GFP Направления ПАТ в листовых примордиях p. DR 5: : 3 XVENUS-N 7 p. PIN 1: : GFP

Локальная индукция экспрессии гена EXP 1 Закладка листовых примордиев Формирование листьев Ауксины стимулируют закладку листьев через активацию мембранных Н-АТФаз и экспансинов

Ауксины AS 2 Репрессия KNOX ? ? ? Ограничение зон экспрессии AS 1, AS 2, ANT WT KNAT 1: : GUS MS 0 20 m. M TIBA ANT AS 1 mp pin 1

Отделение примордиев от ПАМ: JLO (JAGGED LATERAL ORGANS) CUC 1, 2, 3, (CUP-SHAPED COTYLEDONES) LOB (LATERAL ORGAN BOUNDARY) гены JLO, CUC и LOB пролиферация клеток дифференцировка клеток отделение примордиев «ТФ границы» (JLO, LOB, CUC) KNOX ? ? ? PIN cuc 1 cuc 2 jlo ( «слабая аллель» )

Определение симметрии листа – разметка доменов Идентичность разных доменов контролируют определенные ТФ

Идентичность проксимального и дистального доменов листа - гены BLADE ON PETIOLE (ВОР) и JAGGED (JAG) ad prox ab dist BOP 2 ВОР 1 ВОР 2 KNOX JAG LOB bop 1 WT JAG

Развитие проксимального домена листа - гены NS 1, NS 2 (Zea mais) и PRS (Arabidopsis thaliana) Продукты генов NS/PRS – ТФ семейства WOX ns (narrow sheath) – листья prs (pressed flower) – без краевых доменов узкие чашелистики Разные схемы развития листа у однодольных и двудольных

Определение адаксиально-абаксиальной полярности листа ad ab ad mi. RNA ad HD-ZIPIII PIN mi. RNA KANADY YABBY ab

HD-ZIPIII: PHABULOSA (PHB), PHAVOLUTA (PHV), REVOLUTA (REV) KANADY: KANADY 1 -4 (KAN 1 -KAN 4) (ТФ семейства GARP) phb phv p phb KANADY, YABBY x Le-yab YABBY: YABBY 2 (YAB 2), YABBY 3 (YAB 3), FILAMENTOUS FLOWER (FIL) HD-ZIPIII kan 1 -4 PHB

Антагонизм транскрипционных факторов KAN и HD-ZIPIII в контроле распределения белка PIN 1 закладка и развитие листьев транспорт ауксинов HD-ZIPIII KANADY PIN YABBY

Другие регуляторы адаксиально-абаксиальной полярности листа ta-si. RNA 3 ad ТФ AS 1, AS 2 ad ТФ ANT ab ТФ ARF 3/4 ab mi. RNA 165/166 ab LUG ab

ТФ ANT напрямую регулирует экспрессию генов YABBY Ler fil yab 3 ant

При развитии лопастей сложного листа действуют те же механизмы, что при закладке листовых примордиев в ПАМ PIN KNOX EXP 1. 2. 3. 4. PIN Возобновление экспрессии KNOX генов Создание локального максимума концентрации ауксинов Определение границы Определение полярности

Для развития сложного листа необходимо возобновление экспрессии генов KNOX в примордии WT WT 35 S: : KNAT 1 35 S: : Le. T 6

Для развития сложного листа необходимо возникновение локальных максимумов концентрации ауксинов в краевых доменах PIN транспорт ауксинов локальный максимум концентрации ауксинов активация экспансинов, рост клеток, изменение направления деления EXP закладка лопасти

Определение формы сложного листа