Инициация примордия и формирование листа

Известно, что пространственная регулярность расположения листьев (филлогаксис) основана на том, что локализация нового зачатка листа в конусе нарастания определяется положением ранее сформированных зачатков. Долгие годы господствовало представление о том, что инициации нового листа в непосредственной близости от развивающихся нримордиев препятствует выделяемый ими химический морфоген-ингибигор. В последние десятилетия получила широкое признание механофизическая концепция Р.В. Green. Согласно этой концепции в конусе нарастания в процессе увеличения его размеров, связанного с непрерывным делением клеток, а также под влиянием уже сформированных листовых нримордиев создается сложная картина поверхностного натяжения. Новый лист возникает в области пониженного натяжения, окруженной кольцевой зоной высокого натяжения (reinforcement hoop). Тканевое натяжение зависит от механических свойств клеточных стенок. Таким образом, листовой зачаток возникает в том участке периферической зоны конуса нарастания, где выше растяжимость клеточных стенок.

Идея Р.В. Green получила поддержку в 1997 г., когда A.J. Fleming с соавторами показали, что если на периферическую зону апекса томата поместить микроскопическую бусинку из се- факрила, нагруженного а-экснансином гинокотилей огурца, то на этом месте инициируется лист.

В последние годы появились новые сведения, позволяющие представить следующую цепь событий, приводящих к образованию зачатка листа. Гормон роста ауксин снизу поступает в органогенную периферическую зону апикальной меристемы побега, перемещаясь по клеткам наружного слоя туники, в которых сконцентрирован PIN 1. Листовые нримордии служат «ловушками» ауксина. Причем, чем моложе нримордий, тем сильнее он поглощает ауксин. Поэтому морфогенная концентрация гормона достигается только в локусе периферической зоны, достаточно удаленном от ближайших листовых нримордиев. Ауксин вызывает локальное увеличение транскрипции генов экспансинов. Экспансины (см. § 1.2) размягчают клеточные стенки и тем самым изменяют картину физических давлений в апексе, что посредством механо- сенсорных процессов приводит к торможению экспрессии гомео- боксных генов KNOX1, поддерживающих недифференцированное меристематическое состояние клеток апекса. Торможение эксирессии АТУ0X1 вызывает локальное снижение синтеза цитокининов и увеличение синтеза гиббереллинов. В итоге складывается оптимальный для развития листа гормональный фон. В соответствии с изложенной схемой химическая позиционная информация (градиент концентрации ауксина) с помощью экснансинов трансформируется в физическую (измененная картина физических давлений).

Листья инициируются как иримордии в ПАМ (рис. 18). В течение самых ранних стадий роста листа (стадия 1) все клетки примордия находятся на стадии пролиферации (черный цвет). Пролиферация нрекращаегся сначала в самом кончике примордия (стадия 2), уступая экспансии клегок (серый цвет). Область пролиферации клегок в основании листа остаегся относительно постоянным в течение некоторого времени (стадии 3 и 4), в то время как больше дистальных клегок, которые выросли из этой пролиферативной зоны, переносит экспансию. Исключения составляют рассеянные меристемные клетки (устьица и предшественники сосудов), которые продолжают быстрое увеличение в течение более длительного периода времени (черные точки на стадиях 4-5). Основная пролиферативная зона исчезает (стадия 5), и лист продолжает расти экспансией клеток, пока не достигает окончательного размера (стадия 6).

Строение вегетативного апекса (а) и схематическое представление роста листа растений по мере удаления от апекса (б)

Рис. 18. Строение вегетативного апекса (а) и схематическое представление роста листа растений по мере удаления от апекса (б): 1-6 - стадии развития листа (модифицировано по Рейвн, Эверт, Айкхорн, 1990 и Powell. Lenhard, 2012)

Закладка примордия и формирование листа происходят в апексе побега растений при участии большого числа генов KNOX (рис. 19, а). На рисунке схематично представлена последовательная активация генов, требуемых для ранних этапов в развитии листа, на поперечных срезах апекса побега с двумя примордиями молодых листьев и одного предсказываемого примордия.

Двумерный рост листьев A. thaliana контролируют гены AN и ROT3 (рис. 19, б). Ген AN регулирует ширину тонкой пластинки листа, а ген ROT3 - длину пластинки листа и черешков. Потеря функции этих генов (обозначение ап-1""11 и rot3-l""u) вызывает уменьшение ширины или длины листьев, тогда как сверхэкспрессия этих генов (обозначенная как плюс признак: + AN или + ROT3) увеличивает соответствующие размеры. Точковая мутация в гене ROT3 (показанная как G80E) увеличивает площадь пластинок листа, уменьшая листовой индекс и длину черешка.

Схема генетического контроля закладки листового примордия и формирования листа

Рис. 19. Схема генетического контроля закладки листового примордия и формирования листа: а - схематическое представление структур с экспрессированными генами KNOX на ранней стадии развития листа A. thaliana. Области, в которых указаны экспрессированные гены, заштрихованы (модифицировано по Tsukaya, 2000); б - гены, регулирующие двумерный рост листьев у A. thaliana. Брусок, 5 мм

Гены ВОР1 и ВОР2 непосредственно вызывают экспрессию AS2 и также отрицательно регулируют активность FIL и YAB3 в развитии листьев (рис. 20, а). Кроме того, гены ВОР подавляют экспрессию KNOX1 (BP, KNAT2, KNAT6) через АБ2-независимый путь. AS2 и FIL/YAB3 играют различные роли в отрицательном регулировании транскрипции KNOX1 в процессе роста бокового органа. FIL/YAB3 также поддерживают рост тонкой пластинки на адаксиально-абаксиальной границе (заштрихованная стрелка) через независимый от KNOX1 путь.

Модель функционирования генов в процессе развития листа A. thaliana

Рис. 20. Модель функционирования генов в процессе развития листа A. thaliana: AD - адаксиальная и АВ - абаксиальная меристемы примордия листа (по На, Jun, Fletcher, 2010)

Для характеристики морфологии листа A. thaliana используются параметры внешнего и внутреннего строения (рис. 21, поперечный срез). Внешнее строение листа характеризуется формой пластинки, сочленением ее с черешком, присутствием на поверхности листа трихом и устьиц. Внутреннее строение связано с дорзовен- тральной симметрией листа. На поперечном срезе пластинки листа хорошо видно присутствие плотной палисадной ткани на адакси- альной стороне (направленной к оси) и губчатой ткани - на абак- сиальной.

Морфология листа 5-го яруса розетки Arabidopsis (объяснение в тексте)

Рис. 21. Морфология листа 5-го яруса розетки Arabidopsis (объяснение в тексте)

Дорзовентральносгь в листьях определяется двумя противоположными способами: адаксиализацией и абаксиализацией. Гены IID-ZIP класса III REV, PI IB и PHV включаются в адаксиализацию, а гены семейства KANADI и YABBY - в абаксиализацию. Пространственную организацию экспрессии генов IID-ZIP класса III в процессе адаксиализации определяют микро-РНК (miRNA165 и miRNA166).

Растения характеризуются длительным ростом корней и стеблей в течение всей жизни, тогда как их листья и элементы цветка имеют детерминированный рост, а следовательно, принимают более определенную конечную форму и размеры. Регуляция размера и растяжение формы являются принципиальным путем, которым растение может адаптироваться к окружающим условиям. Скоординированное включение генов обеспечивает последовательные события в листе. Последовательно активируются гены, запрещающие переход от пролиферации клеток к их экспансии и поддерживающие этот переход (рис. 22).

Для инициирования органа требуется передача сигналов ауксина. В биогенезе органа было идентифицировано несколько действующих исполнительных элементов реакций ауксина. Один такой фактор белок EBP 1 стабилизируется ауксином. ЕВР1 человека требуется для биогенеза рибосом, и подобная его роль ожидается у растения. Активность ЕВР1 играет роль в стимуляции роста органа, действуя и на скорость и продолжительность пролиферации клеток, через экспрессию CyclinD3;l.

В растущих органах ауксин стимулирует экспрессию ARGOS, сверхэкснрессия которого обеспечивает' формирование наземных органов больших размеров, тогда как уменьшение экспрессии приводит к уменьшению их размеров. Различия в размерах органов связаны, главным образом, с изменением числа клеток, вызванного изменениями в продолжительности периода их пролиферации. ARGOS стимулирует экспрессию другого регулирующего размер гена ANT, кодирующего элемент фактора транскрипции AP2/ERF, показанного у мутантов cincinnata (ein) в львином зеве (Antirrhinum) и jaw-D A. thaliana. У обоих этих мутантов листья имеют очень морщинистую форму из-за дополнительной пролиферации клеток но краю листа относительно его центра.

В регуляцию конечного размера органа вносит вклад переход клеток от пролиферации к экспансии, контролируемый связанными с убиквитином белками семейства DA1 и ЕЗ убиквитин-лигаз. A NT регулирует экспрессию циклина D-типа CYCD3;!. Потеря циклинов D-типа вызывает преждевременную терминацию деления клеток в листьях (даже в том случае, если полный размер листа неизменяется в тройных мутантах eyed). Эти белки участвуют в пути передачи сигналов, поддерживающих фазу пролиферации клеток.

Лист трансгенной линии A. thaliana, экспрессирущей митотический маркерный ген pCycBl;1 r.CDBGUS, имеет синее окрашивание митотически делящихся клеток. Показаны приблизительные положения «первичного» фронта торможения общей пролиферации и «вторичного» фронта торможения рассеянных меристемати- ческих клеток.

Генетические факторы и их пути, влияющие на размеры боковых органов в растении (модифицировано по Powell. Lenhard. 2012)

Рис. 22. Генетические факторы и их пути, влияющие на размеры боковых органов в растении (модифицировано по Powell. Lenhard. 2012)

Факторы, показанные выше линии фронта торможения со стрелками, направленными к линии, определяют торможение пролиферации, в то время как факторы ниже линии «первичного» фронта торможения с Т-брусками поддерживают клетки в пролиферативном состоянии. Стрелки или Т-бары стрелок, указывающие на «пролиферацию клеток» или «экспансию клеток», оказывают стимулирующее или тормозящее влияние соответственно.

ANT и семейство транскрипционных регуляторов ARF регулируют реакции в отвег на ауксин. Из них ARF2 ограничивает пролиферацию клеток и, таким образом, контролирует размер органа, подавляя активность ANT и CYCD3;!. Белок ARF2 может быть инактивирован фосфорилированием, активированным брассиностероид- зависимой киназой BIN2. Это предположение объясняет взаимодействие между ауксином и брассиностероидами в регуляции роста.

Второй путь, поддерживающий пролиферацию клеток, включает факторы транскрипции классов TCP (TEOSINTE BRANCHED 1, CYCLOIDEA, PCFs) и GRF в A. thaliana. BB и ADI из семейства TCP ограничивают размер органа, определяя выход из пролиферации клеток через иротеасомную деградацию стимулирующих рост факторов.

Средняя часть листа имеет единичные зоны окрашивания, что связано с пролиферацией отдельных типов клеток, таких как устьица и предшественники сосудов. Эти клетки известны как рассеянные мерисгемные клетки (DMC), и их торможение пролиферации находится нод контролем предполагаемых факторов транскрипции PPD1 и PPD2. Завершение пролиферации DMC определяет существование вторичного фронта торможения.

Сведений о регулировании экспансии клеток существенно меньше. Гомолог ARGOS ARL поддерживает рост органа через нижний уровень передачи сигналов брассиностероидов. Точно гак же ген TOR киназы требуется для роста клеток в листьях, и сверхразмер листа обеспечивается увеличением экспрессии гена, приводя к увеличению размеров клеток. В лепестках рост клеток и размер лепестков ограничены действиями bHLH фактора транскрипции BIGPETALp (ВРЕр) и ARF8.

Взаимодействия генетической, гормональной и трофической систем регуляции обусловливают разнообразие форм листьев, формирующихся на проростке (2 семядоли), вегетативном побеге (8 листьев розетки) и генеративном побеге (3 стеблевых листа) A. thaliana (рис. 23). На рисунке показаны постепенные изменения формы листьев, связанные с усложнением донорно-акцепторных взаимодействий между метамерами в онтогенезе растения.

Гетеробласты растений Arabidopsis thaliana дикого типа экотипа Columbia (Col) под непрерывным светом при 22° С. Брусок 5 мм (модифицировано по Tsukaya et al., 2000)

Рис. 23. Гетеробласты растений Arabidopsis thaliana дикого типа экотипа Columbia (Col) под непрерывным светом при 22° С. Брусок 5 мм (модифицировано по Tsukaya et al., 2000)

Значение генов для формирования листьев розетки A. thaliana хорошо показано на примере морфологии листьев у мутантных линий Arabidopsis thaliana (рис. 24). Взаимодействия между аллелями различных генов выражаются в изменении формы и размеров пластинок и черешков.

Обратите внимание на морфогенез листьев розетки, изменение структуры пластинки у мутантов по сравнению с листьями дикого типа или других мутантов (рис. 24, 25). A. thaliana обычно формирует простые листья, однако при мутации генов имеет очень зубчатые или сегментированные листья.

Множество генов включается в понижающую регуляцию генов KNOX класса I в примордиях простых листьев: ASI, AS2, ВОР1, SE и PKL. Морфологические фенотипы мутантов asi и as2 имеют некоторое подобие с трансгенным A. thaliana, в котором эктопически экспрессированы гены KNOX класса I, приводя к сегментации примордия листа.

Хотя все три мутанта, asi, as2 и bopl, показывают подобные дефекты в подавлении накопления мРНК KNOX класса I в при- мордии листа A. thaliana, морфологические фенотипы полностью не соответствуют друг другу (рис. 25). Это может свидетельствовать об их уникальной роли ASI, AS2 и ВОР1 в органогенезе листа.

Форма и размеры лисгоиодобных структур растений поддерживаются транспортом трофических и гуморальных веществ с помощью проводящих систем - ксилемных и флоэмных элементов, организованных в жилки. Структура сетчатого жилкования сильно различается в отдельных органах растения АгаЫс1ор.ч1х (рис. 26). Наиболее сложная структура характерна для листьев растений, вероятно, обусловленная их более сложными процессами метаболизма и, прежде всето, синтезом органических соединений в процессе фотосинтеза, требующих их активного отведения от места синтеза.

Взаимодействия между аллелями генов hop 1 hop! и knoxl (а) и hopl Ьор2 и yah (о). Фотографии рассеченных розеток 38-дневных растений A. thaliana

Рис. 24. Взаимодействия между аллелями генов hop 1 hop! и knoxl (а) и hopl Ьор2 и yah (о). Фотографии рассеченных розеток 38-дневных растений A. thaliana: а - (А) дикого типа Ler, (В) hop 1-4 Ъор2-11 (Ы Ь2), (С) Ър-1 knat2-l knat6-5 (kiuil 126), (D) hopl-4 hop2-l 1 knat6-5 и (E) hopl-4 hop2-l 1 bp-1 knat2-l knat6-5. Поперечные срезы черешков листа (F) Ler, (G) hopl bop2, (IT) hp-l knal2-l knat6- 5, (I) hopl-4 hop2-l 1 knat6-5, и (J) hopl-4 bop2-l 1 bp-1 knat2-l knal6-5. Пунктиры в A-E указывают изучаемые области в F-J. Бруски 10 мм (для А-Е) и 200 мм (для F-.J); б - (A) hopl-4 Ьор2-11 /И 8 (hlh2f), (В) hopl-4 hop2-l 1 уаЬЗ-2 (Ь1Ь2уЗ), (С)fil 8yab3-2 (fy3), и {!)) hopl-4 hop2-11 fit 8yab3-2 (hlh2fy3) растения.

Поперечные срезы черешков листа (Е)уаЬЗ-2, (F) hopl-4 hop2-ll fil 8,

(G) hopl-4 hop2-11 yah3-2, (if) fil 8yah3-2, и (I и.f) hopl-4 hop2-l 1 fil 8yah3-2.

Пунктиры в A-D указывают изучаемые области в F-J. Бруски 10 мм (для А-D) и 200 мм (для E-J) (по На, Jun, Fletcher, 2010)

Морфология листьев Arabidopsis tIndiana дикого типа

Рис. 25. Морфология листьев Arabidopsis tIndiana дикого типа (ДТ) и мутантов, дефектных по регулированию экспрессии генов KNOXI класса I в примордии листа (мутантов asi, as2 и bopl, трансгенной линии, в которой экспрессируется ген KNATI * и мутант bopl, в котором экспрессируется ген KNOXI * папоротника). Единица масштаба 1 мм (модифицировано по Tsukaya, 2005)

Структура жилкования в органах растений AraЫdopsis. Все ткани были фиксированы и очищены в хлоралгидрате и освещены с помощью полевой оптики

Рис. 26. Структура жилкования в органах растений AraЫdopsis. Все ткани были фиксированы и очищены в хлоралгидрате и освещены с помощью полевой оптики: А - семядоля; В - лист; С - чашелистик; О - лепесток

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >