Модель развития цветка ABC — это научная модель процесса, посредством которого цветковые растения создают модель экспрессии генов в меристемах , которая приводит к появлению органа, ориентированного на половое размножение , — цветка. Для того чтобы это произошло, должны произойти три физиологических процесса: во-первых, растение должно перейти от половой незрелости к половозрелому состоянию (т. е. перейти к цветению); во-вторых, преобразование функции апикальной меристемы из вегетативной меристемы в флоральную меристему или соцветие ; и, наконец, рост отдельных органов цветка. Последняя фаза была смоделирована с использованием модели ABC , которая направлена на описание биологической основы процесса с точки зрения молекулярной и генетики развития .
Для того чтобы вызвать дифференциацию меристемы в цветочную меристему, требуется внешний стимул . Этот стимул активирует митотическое деление клеток в апикальной меристеме, особенно по ее сторонам, где образуются новые примордии . Этот же стимул также заставит меристему следовать схеме развития , которая приведет к росту цветочных меристем в отличие от вегетативных меристем. Основное различие между этими двумя типами меристем, помимо очевидного несоответствия между объективным органом, заключается в мутовчатом (или мутовчатом) филлотаксисе , то есть отсутствии удлинения стебля среди последовательных мутовок или мутовок примордия. Эти мутовки следуют акропетальному развитию, давая начало чашелистикам , лепесткам , тычинкам и плодолистикам . Еще одним отличием от вегетативных пазушных меристем является то, что флоральная меристема «детерминирована», что означает, что после дифференциации ее клетки больше не будут делиться . [1]
Идентичность органов, присутствующих в четырех цветковых мутовках, является следствием взаимодействия по крайней мере трех типов генных продуктов , каждый из которых имеет различные функции. Согласно модели ABC, функции A и C необходимы для определения идентичности мутовок околоцветника и репродуктивных мутовок соответственно. Эти функции являются исключительными, и отсутствие одной из них означает, что другая будет определять идентичность всех цветковых мутовок. Функция B позволяет дифференцировать лепестки от чашелистиков во вторичной мутовке, а также дифференцировать тычинки от плодолистиков в третичной мутовке.
Теория листвы Гете была сформулирована в 18 веке и предполагает, что составные части цветка — это структурно измененные листья, которые функционально специализированы для воспроизводства или защиты. Теория была впервые опубликована в 1790 году в эссе «Метаморфозы растений» (« Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklären »). [2] где Гете писал:
«...мы можем с равным успехом сказать, что тычинка — это сжатый лепесток, как и то, что лепесток — это тычинка в состоянии расширения; или что чашелистик — это сжатый стеблевой лист, приближающийся к определенной стадии утонченности, как и то, что стеблевой лист — это чашелистик, расширенный притоком более грубых соков». [3]
Переход от вегетативной фазы к репродуктивной фазе включает в себя резкое изменение жизненного цикла растения, возможно, самое важное, поскольку процесс должен быть выполнен правильно, чтобы гарантировать, что растение произведет потомство . Этот переход характеризуется индукцией и развитием меристемы соцветия, которая произведет набор цветов или один цветок. Это морфогенетическое изменение содержит как эндогенные, так и экзогенные элементы: например, для того, чтобы изменение было инициировано, растение должно иметь определенное количество листьев и содержать определенный уровень общей биомассы . Также требуются определенные условия окружающей среды, такие как характерный фотопериод . Растительные гормоны играют важную роль в этом процессе, причем гиббереллины играют особенно важную роль. [4]
Существует множество сигналов , которые регулируют молекулярную биологию процесса. Следующие три гена Arabidopsis thaliana обладают как общими, так и независимыми функциями в цветочном переходе: FLOWERING LOCUS T ( FT ), LEAFY ( LFY ), SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 ( SOC1 , также называемый AGAMOUS-LIKE20 ). [5] SOC1 — это ген типа MADS-box , который интегрирует ответы на фотопериод, яровизацию и гиббереллины. [4]
Меристему можно определить как ткань или группу тканей растения, содержащих недифференцированные стволовые клетки , которые способны производить любой тип клеточной ткани. Их поддержание и развитие, как в вегетативной меристеме, так и в меристеме соцветия, контролируется генетическими механизмами определения судьбы клеток . Это означает, что ряд генов будут напрямую регулировать, например, поддержание характеристик стволовой клетки (ген WUSCHEL или WUS ), а другие будут действовать через механизмы отрицательной обратной связи , чтобы подавить характеристику (ген CLAVATA или CLV ). Таким образом, оба механизма приводят к образованию петли обратной связи , которая вместе с другими элементами придает большую надежность системе. [6] Наряду с геном WUS ген SHOOTMERISTEMLESS ( STM ) также подавляет дифференциацию меристематического купола. Этот ген действует, подавляя возможную дифференциацию стволовых клеток, но все еще допускает деление клеток в дочерних клетках, которые, если бы им было позволено дифференцироваться, дали бы начало отдельным органам. [7]
Анатомия цветка, определяемая наличием ряда органов (чашелистиков, лепестков, тычинок и плодолистиков), расположенных в соответствии с заданным шаблоном, облегчает половое размножение у цветковых растений . Цветок возникает в результате активности трех классов генов, которые регулируют развитие цветка: [8]
Модель развития цветка ABC была впервые сформулирована Джорджем Хоном и Крисом Сомервиллем в 1988 году. [9] Впервые она была использована в качестве модели для описания набора генетических механизмов, которые устанавливают идентичность цветочных органов у Rosids , как показано на примере Arabidopsis thaliana , и Asterids , как показано на примере Antirrhinum majus . Оба вида имеют четыре мутовки (чашелистики, лепестки, тычинки и плодолистики), которые определяются дифференциальной экспрессией ряда гомеозисных генов, присутствующих в каждой мутовке. Это означает, что чашелистики характеризуются исключительно экспрессией генов A, в то время как лепестки характеризуются совместной экспрессией генов A и B. Гены B и C устанавливают идентичность тычинок, а плодолистикам требуются только активные гены C. Гены типа A и C взаимно антагонистичны. [10]
Тот факт, что эти гомеозисные гены определяют идентичность органа, становится очевидным, когда ген, представляющий определенную функцию, например, ген A, не экспрессируется. У Arabidopsis эта потеря приводит к цветку, который состоит из одной мутовки плодолистиков, другой, содержащей тычинки, и еще одного из плодолистиков. [10] Этот метод изучения функции гена использует методы обратной генетики для получения трансгенных растений, которые содержат механизм подавления генов посредством РНК-интерференции . В других исследованиях, использующих методы прямой генетики , такие как генетическое картирование , именно анализ фенотипов цветов со структурными аномалиями приводит к клонированию интересующего гена. Цветы могут обладать нефункциональным или сверхэкспрессированным аллелем для изучаемого гена. [11]
Существование двух дополнительных функций, D и E, также было предложено в дополнение к уже обсуждавшимся функциям A, B и C. Функция D определяет идентичность семяпочки как отдельную репродуктивную функцию от развития плодолистиков, которое происходит после их определения. [12] Функция E относится к физиологическому требованию, которое является характеристикой всех цветочных мутовок, хотя первоначально она была описана как необходимая для развития трех самых внутренних мутовок (функция E sensu stricto ). [13] Однако ее более широкое определение ( sensu lato ) предполагает, что она требуется в четырех мутовках. [14] Следовательно, когда функция D утрачивается, структура семяпочек становится похожей на структуру листьев, а когда функция E утрачивается sensu stricto , цветочные органы трех самых внешних мутовок трансформируются в чашелистики, [13] в то время как при утрате функции E sensu lato все мутовки становятся похожими на листья. [14] Генные продукты генов с функциями D и E также являются генами MADS-box. [15]
Методология изучения развития цветка включает два этапа. Во-первых, идентификация точных генов, необходимых для определения идентичности флоральной меристемы. У A. thaliana к ним относятся APETALA1 ( AP1 ) и LEAFY ( LFY ). Во-вторых, генетический анализ проводится на аберрантных фенотипах для относительных характеристик цветков, что позволяет охарактеризовать гомеозисные гены, вовлеченные в процесс.
Существует множество мутаций , которые влияют на морфологию цветка , хотя анализ этих мутантов является недавней разработкой. Подтверждающее доказательство существования этих мутаций исходит из того факта, что большое количество влияет на идентичность цветочных органов. Например, некоторые органы развиваются в месте, где должны развиваться другие. Это называется гомеотической мутацией , которая аналогична мутациям гена HOX, обнаруженным у Drosophila . У Arabidopsis и Antirrhinum , двух таксонов, на которых основаны модели, эти мутации всегда затрагивают соседние мутовки. Это позволяет охарактеризовать три класса мутаций, в соответствии с которыми затрагиваются мутовки:
Исследования клонирования проводились на ДНК в генах, связанных с затронутыми гомеотическими функциями в мутантах, обсуждавшихся выше. В этих исследованиях использовался серийный анализ экспрессии генов на протяжении всего развития цветка, чтобы показать закономерности экспрессии тканей, которые в целом соответствуют прогнозам модели ABC.
Природа этих генов соответствует природе факторов транскрипции , которые, как и ожидалось, имеют аналогичные структуры с группой факторов, содержащихся в дрожжах и животных клетках . Эта группа называется MADS, что является аббревиатурой для различных факторов, содержащихся в группе. Эти факторы MADS были обнаружены во всех изученных видах растений, хотя нельзя сбрасывать со счетов и участие других элементов, участвующих в регуляции экспрессии генов . [8]
У A. thaliana функция A в основном представлена двумя генами APETALA1 ( AP1) и APETALA2 ( AP2 ) [16] AP1 является геном типа MADS-box, в то время как AP2 принадлежит к семейству генов, содержащему AP2, которому он дал свое название и которое состоит из факторов транскрипции , которые встречаются только у растений. [17] Также было показано, что AP2 образует комплекс с корепрессором TOPLESS (TPL) при развитии цветочных почек, чтобы подавить ген C-класса AGAMOUS ( AG ). [18] Однако AP2 не экспрессируется в апикальной меристеме побега (SAM), которая содержит латентную популяцию стволовых клеток на протяжении всей взрослой жизни Arabidopsis , и поэтому предполагается, что TPL работает с каким-то другим геном A-класса в SAM, чтобы подавить AG . [18] AP1 функционирует как ген типа A, как в контроле идентичности чашелистиков и лепестков, так и в меристеме цветка . AP2 функционирует не только в первых двух мутовках, но и в оставшихся двух, в развивающихся семяпочках и даже в листьях. Также вероятно, что существует посттранскрипционная регуляция , которая контролирует его функцию A, или даже что он имеет другие цели в определении идентичности органов, независимые от упомянутых здесь. [17]
В Antirrhinum ортологичным геном AP1 является SQUAMOSA ( SQUA ), который также оказывает особое влияние на флоральную меристему. Гомологами AP2 являются LIPLESS1 ( LIP1 ) и LIPLESS2 ( LIP2 ), которые имеют избыточную функцию и представляют особый интерес для развития чашелистиков, лепестков и семяпочек. [ 19 ]
Всего из Petunia hybrida было выделено три гена , которые похожи на AP2 : P. hybrida APETALA2A ( PhAP2A ), PhAP2B и PhAP2C . PhAP2A в значительной степени гомологичен гену AP2 Arabidopsis как по своей последовательности, так и по характеру экспрессии, что позволяет предположить, что эти два гена являются ортологами. С другой стороны, белки PhAP2B и PhAP2C немного отличаются, хотя они и принадлежат к семейству факторов транскрипции, похожих на AP2 . Кроме того, они экспрессируются по-разному, хотя и очень похожи по сравнению с PhAP2A . Фактически, мутанты для этих генов не показывают обычный фенотип, фенотип нулевых аллелей генов A. [20] Истинный ген с функцией A у Petunia не обнаружен; хотя часть функции A (ингибирование C во внешних двух завитках) в значительной степени приписывается miRNA169 (в просторечии называемой BLIND) ref .
У A. thaliana функция типа B в основном возникает из двух генов, APETALA3 ( AP3 ) и PISTILLATA ( PI ), оба из которых являются генами MADS-box. Мутация любого из этих генов вызывает гомеозисное преобразование лепестков в чашелистики и тычинок в плодолистики. [21] Это также происходит в его ортологах у A. majus , которые являютсяDEFICIENS ( DEF ) и GLOBOSA ( GLO ) соответственно. [22] Для обоих видов активная форма связывания с ДНК происходит из гетеродимера: AP3 и PI, или DEF и GLO, димеризуются . Это форма, в которой они способны функционировать. [23]
Линии GLO / PI , которые были продублированы в Petunia, содержат P. hybrida GLOBOSA1 ( PhGLO1 , также называемый FBP1 ), а также PhGLO2 (также называемый PMADS2 или FBP3 ). Для функциональных элементов, эквивалентных AP3 / DEF в Petunia, есть как ген, обладающий относительно похожей последовательностью, называемый PhDEF , так и атипичный ген функции B, называемый PhTM6. Филогенетические исследования поместили первые три в линию «euAP3», в то время как PhTM6 принадлежит к линии «paleoAP3». [24] Стоит отметить, что с точки зрения эволюционной истории появление линии euAP3, по-видимому, связано с появлением двудольных , поскольку представители генов функции B типа euAP3 присутствуют в двудольных, в то время как гены paleoAP3 присутствуют в однодольных и базальных покрытосеменных, среди прочих. [25]
Как обсуждалось выше, цветковые органы эудикотиледоновых покрытосеменных растений расположены в 4 различных мутовках, содержащих чашелистики, лепестки, тычинки и плодолистики. Модель ABC утверждает, что идентичность этих органов определяется гомеотическими генами A, A+B, B+C и C соответственно. В отличие от чашелистиков и лепестковых мутовок эвдикотов, перигон многих растений семейства лилейных имеет две почти идентичные внешние лепестковидные мутовки ( листочки околоцветника ). Чтобы объяснить морфологию цветка лилейных, ван Тунен и др. предложили модифицированную модель ABC в 1993 году. Эта модель предполагает, что гены класса B экспрессируются не только в мутовках 2 и 3, но и в 1. Следовательно, органы мутовок 1 и 2 экспрессируют гены классов A и B, и именно поэтому они имеют лепестковидную структуру. Эта теоретическая модель была экспериментально доказана посредством клонирования и характеристики гомологов генов Antirrhinum GLOBOSA и DEFICIENS в лилейных, тюльпане Tulipa gesneriana . Эти гены экспрессируются в мутовках 1, 2 и 3. [26] Гомологи GLOBOSA и DEFICIENS также были выделены и охарактеризованы в Agapanthus praecox ssp. orientalis ( Agapanthaceae ), который филогенетически далек от модельных организмов. В этом исследовании гены были названы ApGLO и ApDEF , соответственно. Оба содержат открытые рамки считывания , которые кодируют белки с 210-214 аминокислотами . Филогенетический анализ этих последовательностей показал, что они принадлежат к семейству генов B однодольных . Исследования гибридизации in situ показали, что обе последовательности экспрессируются в мутовке 1, а также в 2 и 3. В совокупности эти наблюдения показывают, что механизм развития цветка Agapanthus также следует модифицированной модели ABC. [27]
У A. thaliana функция C происходит от одного гена типа MADS-box, называемого AGAMOUS ( AG ), который вмешивается как в установление идентичности тычинок и плодолистиков, так и в определение цветочной меристемы. [16] Поэтому мутанты AG лишены андроцея и гинецея, а вместо них у них лепестки и чашелистики. Кроме того, рост в центре цветка недифференцированный, поэтому лепестки и чашелистики растут в повторяющихся мутовках.
Ген PLENA ( PLE ) присутствует в A. majus вместо гена AG , хотя он не является ортологом. Однако ген FARINELLI ( FAR ) является ортологом, который специфичен для развития пыльников и созревания пыльцы . [28]
У Petunia , Antirrhinum и кукурузы функция C контролируется рядом генов, которые действуют одинаково. Гены, которые являются более близкими гомологами AG у Petunia, это pMADS3 и белок связывания цветов 6 ( FBP6 ). [28]
Гены функции D были открыты в 1995 году. Эти гены являются белками MADS-box и имеют функцию, отличную от ранее описанных, хотя они имеют определенную гомологию с генами функции C. Эти гены называются FLORAL BINDING PROTEIN7 ( FBP7 ) и FLORAL BINDING PROTEIN1L ( FBP1l ). [12] Было обнаружено, что у Petunia они участвуют в развитии семяпочки. Эквивалентные гены были позже обнаружены у Arabidopsis , [29] где они также участвуют в контроле развития плодолистиков и семяпочки и даже в структурах, связанных с распространением семян .
Появление интересных фенотипов в исследованиях РНК-интерференции у петунии и томата привело в 1994 году к определению нового типа функции в модели развития цветка. Первоначально считалось, что функция E участвует только в развитии трех самых внутренних мутовок, однако последующие исследования показали, что ее экспрессия требуется во всех мутовках цветка. [13]