29.06.2019

Факторы ответа на ауксин отключают ген, не дающий развиваться органам растения

Растения развиваются постепенно: у проростка из семени нет почти ничего, кроме маленького корешка и хрупкого стебелька, в отличие от животных, которые в большинстве случаев уже при рождении имеют все органы. Для формирования новых органов (листьев, цветков и т. д.) в нужные моменты включаются нужные гены. Однако недавнее исследование показало, что это не единственный механизм: на примере резуховидки (род Arabidopsis) обнаружено, что для того, чтобы органы растения развивались, необходимо подавить ген STM. Ученые также выяснили, какие белки управляют экспрессией STM и что они делают это, изменяя структуру хроматина. Такой механизм регулирования развития обнаружен у растений впервые.

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 белках 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; факторы транскрипции из класса A стимулируют транскрипцию, факторы из классов B и C — напротив, подавляют.

В число ARFs класса B входят факторы транскрипции ETTIN (ETT) и ARF4, высокие концентрации которых обнаруживаются в примордиях — зачатках новых листов или почек на конусе нарастания побега (см. E. Zazimalova et al., 2014. Auxin and Its Role in Plant Development). К классу A относится, в частности, фактор транскрипции MONOPTEROS (MP), известный способностью активировать гены, отвечающие за формирование цветка.

Ранее уже было выяснено, что важную роль в регуляции развития органов растения из меристем играют факторы транскрипции SHOOT MERISTEMLESS (STM) (S. Hake et al., 2004. The role of knox genes in plant development). 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. Кодируемый геном STM транскрипционный фактор стимулирует экспрессию гена IPT7, продукт которого, фермент ATФ/АДФ-изопентенилтрансфераза 7, запускает биосинтез цитокининов — гормонов, стимулирующих деление клетки. Соотношение между цитокининами и ауксинами определяет процесс деления клеток и их дифференциации.

В обсуждаемой работе изучалась роль фактора транскрипции 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 STM и IPT7 в этом ряду повышаются (рис. 2).

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 факторы транскрипции 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 (см., например, D. Gonzalez et al., 2007. The Transcription Corepressor LEUNIG Interacts with the Histone Deacetylase HDA19 and Mediator Components MED14 (SWP) and CDK8 (HEN3) To Repress Transcription). 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 подавленном 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).

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.

Подготовлено по материалам: Yuhee Chung, Yang Zhu, Miin-Feng Wu, Sara Simonini, Andre Kuhn, Alma Armenta-Medina, Run Jin, Lars Ostergaard, C. Stewart Gillmor & Doris Wagner. Auxin Response Factors promote organogenesis by chromatin-mediated repression of the pluripotency gene SHOOTMERISTEMLESS // Nature Communications. 2019. V. 10. Article number: 886. DOI: 10.1038/s41467-019-08861-3.

Олег Соколенко

Источники:

1. elementy.ru