Генетика развития растений. Развитие листа

1.

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

2.

Развитие
листа

3.

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

4.

Основные события в развитии листа:
1. Закладка листового примордия
2. Определение
симметрии листа
P2
P1
Р0
ПАМ
граница
P0
ad
ab
-STM,
цитокинины
-AS, ANT,
ауксины
dist
prox
3. Определение формы листа
(цельный, рассеченный, сложный)

5.

Инициация листового примордия:
1. Появление локального максимума концентрации ауксинов
2. Репрессия транскрипции генов KNOX:
3. Начало экспрессии генов ANT / AIL
DR5::GUS

6.

Роль генов KNOX в регуляции развития листьев
• В норме гены
KNOX
класса
I
никогда
не
экспрессируются в
листовых зачатках
STM
• KNAT1 и KNAT2
предположительно
играют основную
роль в развитии
листа
экспрессия KNOX
пролиферация клеток
• Возможно
возобновление
экспрессии KNOX генов
на более поздних стадиях
развития листа:
формирование сложных листьев

7.

Гены ASYMMETRIC LEAF (AS1 и AS2)
– репрессоры KNOX генов в листовых примордиях
• Продукты генов AS –
Транскрипционные
факторы
семейства MYB (AS1)
семейства LOB (AS2)
STM
AS1, AS2
• Фенотипы
мутантов:
пролиферация
клеток
листового
зачатка,
нарушение
симметрии
листа
• Ортологи гена AS1 Arabidopsis:
RS2 (Zea mais),
PHAN (Anthirrinum majus)

8.

Механизмы репрессии KNOX генов с помощью ТФ AS
• AS1 и AS2 образуют
гетеродимеры, которые
взаимодействуют
сайтами X и Y в
энхансере, регулирующем
работу KNOX генов
• Делеция сайтов Х или Y
приводит к экспрессии
KNOX генов в листьях
Guo et al., 2007

9.

Эпигенетические механизмы репрессии KNOX генов
1. Кратковременная репрессия (только инициация примордия)
AS2
HDAC
AS1
HIRA
Ac
Ac
Деацетилирование
гистонов:
Гистоновый шаперон
HIRA,
взаимодействующий с
гистон-деацетилазами
(HDAC) и димерами ТФ
AS1-AS2
ring 1a, 1b
2. Долговременная репрессия (инициация и развитие)
1. Метилирование гистонов:
Белок CURLY LEAF (CLF) в
составе Polycomb
комплекса
2. Убиквитинирование
гистонов:
Белок LHP, Убиквитинлигазы RING1a и 1b

10.

Пролиферация клеток листового примордия: ген
AINTEGUMENTA (ANT)
ауксины
?
ANT
Циклины D ?
пролиферация
клеток
YABBY
Продукт гена ANT – ТФ
семейства APETALA2
?
симметрия
листа
ant
WT
35S::ANT
WT 35S::ANT

11.

Роль ТФ
группы ANTLike (AIL) в
развитии
растений:
• ANT
инициация и
рост листа
• PLT закладка и
развитие корня
• BBM
эмбриогенез

12.

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 AS2
репрессия генов
KNOX
дифференцировка
клеток
(Auxin
Response
Factors)
???
экспрессия
генов PIN,
VND, CND
ограничение зон
экспрессии AS и
ANT
отделение
примордиев от ПАМ

13.

Роль локальных максимумов ауксина в органогенезе растений
Флоральная
меристема
Вегетативная ПАМ
Боковые корни

14.

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

15.

Полярный транспорт ауксинов и инициация листа
Гены PIN1 и STM имеют
комплементарный
характер экспрессии в
ПАМ
P2
pDR5::3XVENUS-N7
P1
P0
pPIN1::GFP
Направления ПАТ
в листовых
примордиях
pDR5::3XVENUS-N7
pPIN1::GFP

16.

Ауксины контролируют развитие проводящей системы листа
DR5::GUS
Canalisation hypothesis:
Локальный
максимум
ауксинов
Создание канала ПАТ:
Включение
Транспорт ИУК
экспресcии PIN1
по каналу от
в группе клеток
максимума
«под»
максимумом
Клетки канала
ПАТ
дифференцируются в сосуды

17.

Для создания каналов ПАТ и закладки сосудов
нужен не только PIN1, осуществляющий
межклеточный транспорт ИУК, но и PIN5, 6, 8,
осуществляющие ее внутриклеточный транспорт

18.

Ауксины
AS2
Репрессия KNOX
???
Ограничение зон экспрессии
AS1, AS2, ANT
WT
KNAT1::GUS
MS0
ANT
20mM
TIBA
AS1
mp pin1

19.

Локальная
индукция
экспрессии
гена EXP1
Закладка
листовых
примордиев
Формирование
листьев
Ауксины стимулируют закладку
листьев через активацию
мембранных Н-АТФаз и
экспансинов

20.

Отделение
примордиев от ПАМ:
JLO
(JAGGED
LATERAL
ORGANS)
CUC1, 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
cuc1 cuc2
jlo («слабая аллель»)

21.

Генная сеть «домена границы»

22.

«ТФ границы» важны на всех этапах развития растения
Закладка ПАМ в
эмбриогенезе
Закладка флоральной
меристемы
Закладка пазушных
меристем
Закладка лопастей
сложного или
рассеченного листа
Закладка органов цветка (завязь)

23.

Зона «домена
границы»
свободна от
гормонов
Регуляция
биосинтеза и
транспорта
гормонов ТФ
границы

24.

leaf
Иммунолокализация:
гистон H4
(маркер
деления
клеток)
CUC2
leaflet
Домен границы
есть как в листовых
примордиях (А), так
и в примордиях
компонентов
сложного листа (В)

25.

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

26.

Идентичность проксимального и дистального доменов
листа - гены BLADE ON PETIOLE (ВОР) и JAGGED (JAG)
ad
ab
prox
dist
BOP2
ВОР1
ВОР2
KNOX
JAG
LOB
bop1
WT
bop1
WT
JAG

27.

Развитие латеральных доменов листа (leaf
margins) – гены WOX1 и WOX3
Продукты генов
NS/PRS – ТФ WOX3
ns (narrow sheath) – листья prs (pressed flower) –
без краевых доменов
узкие чашелистики
Разные схемы
развития листа у
однодольных и
двудольных

28.

Определение адаксиально-абаксиальной полярности
листа
ad
ab
ad
ab
ad
tasiRNA
AS1, AS2
HD-ZIPIII
KANADY
miRNA
ad
PIN
YABBY
ab
ARF3
KNOX

29.

Контроль
развития
адаксиального,
абаксиального
и латерального
(краевого)
доменов

30.

Форма листа зависит
от соотношения
ad и ab сторон
Регуляция ad-ab
полярности листа:
Взаимодействие
разных семейств
ТФ и миРНК

31.

32.

HD-ZIPIII:
PHABULOSA (PHB),
PHAVOLUTA (PHV),
REVOLUTA (REV)
KANADY:
KANADY 1-4 (KAN1-KAN4)
(ТФ семейства GARP)
phb phv
kan1-4
p
phb
Le-yab
YABBY:
YABBY2 (YAB2),
YABBY3 (YAB3),
FILAMENTOUS FLOWER
(FIL)
HD-ZIPIII
KANADY, YABBY
x
PHB

33.

Антагонизм транскрипционных факторов KAN и
HD-ZIPIII в контроле распределения белка PIN1
закладка и развитие
листьев
транспорт ауксинов
HD-ZIPIII
PIN
KANADY

34.

Другие регуляторы адаксиально-абаксиальной
полярности листа
tasiRNA3 ad
ТФ AS1, AS2 ad
ТФ ANT ab
ТФ ARF3/4
ab
miRNA165/166 ab

35.

ТФ ANT напрямую регулирует экспрессию генов YABBY
Ler
fil
yab3
fil
yab3 ant

36.

Определение формы листа у однодольных
PHB
Тюльпан
Ирис
ARF3
Лук
«абаксиализация»
DROOPING LEAF
(сем-во генов
YABBY)
Пролиферация
клеток
Вторичное
уплощение
листа

37.

МикроРНК в определении ad-ab полярности
tasiR3a – репрессор ab стороны. Мишень:
транскрипты ARF3
miR166 – репрессор ad стороны. Мишень:
транскрипты НD-ZIPIII

38.

Другие миРНК,
контролирующие развитие
листа

39.

При развитии лопастей сложного листа
действуют те же механизмы, что при закладке
листовых примордиев в ПАМ
PIN
KNOX
EXP
PIN
miR164
1.
2.
3.
4.
Возобновление экспрессии KNOX генов
Создание локального максимума концентрации ауксинов
Определение границы
Определение полярности

40.

Для развития сложного листа необходимо
возобновление экспрессии генов KNOX в примордии
WT
WT
35S::KNAT1
35S::LeT6

41.

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

42.

У растений со сложными листьями (например, томат) в зонах
границы могут закладываться дополнительные побеговые
меристемы (axillary meristems)
- меристема
(KNOX, WUS,
etc.)
- ауксиновый
минимум
- ауксиновый
максимум
Axillary meristems под сканирующим микроскопом

43.

Определение формы сложного листа
miR164
miR164 ov
CUC2

44.

Мутации, приводящие
к упрощению листа у
томата
gob (goblet)
c (potato leaf)
Продукты генов GOB
и С – ортологи CUC