Генетика цветения


Генетика цветения
М.Литвинов, «Химия и жизнь» (http://www.hij.ru), № 7-2004
Маленький принц никогда еще не видал таких огромных бутонов и предчувствовал, что увидит чудо. А неведомая гостья, еще скрытая в стенах своей зеленой комнатки, все готовилась, все прихорашивалась. Она заботливо подбирала краски. Она наряжалась неторопливо, один за другим примеряя лепестки. Она не желала явиться на свет встрепанной, точно какой-нибудь мак. Она хотела показаться во всем блеске своей красоты. Да, это была ужасная кокетка! Таинственные приготовления длились день за днем. И вот однажды утром, едва взошло солнце, лепестки раскрылись.
Антуан де Сент-Экзюпери
Цветы и гены
Неудивительно, что к цветению растение готовится долго и старательно – очень уж это важное дело. Конечно, кроме цветкового (полового) размножения есть и вегетативное, но это всего лишь заполнение экологической ниши своей биомассой. А цветение – возможность перемешать генетический материал, а затем распространить удачные мутации. Вдруг они когда-нибудь объединятся в каком-то растении и получится что-то новое, невиданное? Ради этого не жаль потратить ресурсы на создание специального органа – цветка. Дело, однако, не только в ресурсах.
Если бы цветение проектировал инженер, у него возник бы миллион вопросов. Когда растение должно цвести: весной, летом, осенью? А может быть, весь теплый сезон? Сколько выращивать цветков и какими их делать: крупными, яркими и пахучими или маленькими и невзрачными, редкими или обильными? Собирать в соцветия или пусть растут поодиночке? Сколько должно быть частей цветка, каковы их форма, расположение, цвет?
Растения приспособились отвечать на эти вопросы без расчетов, чертежей и размышлений. Внешне все просто: приходит время, набухают и раскрываются бутоны, и все замирают в восхищении перед привычным чудом. Однако подготовка к цветению – сложнейшая цепь событий, и начинается она задолго до того, как появятся бутоны или цветочные стрелки. Клетки, ранее порождавшие стебель и листья, незаметно превращаются в зачаток цветка, и в урочное время он появляется на свет с околоцветником, тычинками и пестиками известной формы и окраски, с ароматом и нектаром, если они предусмотрены стратегией размножения.
Все, что происходит с растением – рост, распускание листьев, цветение, созревание плодов, увядание, – кажется простым и бесхитростным, однако за эти процессы отвечают, прямо или косвенно, тысячи генов, белков, малых молекул. Вся последовательность событий, все взаимодействия, все контуры регуляции записаны в геном, как положено, текстами из четырех букв генетического алфавита. Повинуясь программам и с учетом внешних условий, включаются нужные гены, синтезируются белки, клетки получают сигналы делиться, дифференцироваться, производить какие-то особые, только им присущие вещества. Эти процессы должны протекать согласованно и не сбиваться от случайных, незначительных причин.
Гены цветения, как и гены, отвечающие за другие функции, ученые выявляют, когда обнаруживают мутантные растения. У некоторых из них сбита настройка на световой режим, и они цветут при коротком дне вместо длинного, другие вместо соцветия дают одиночные цветки на конце побега, третьи производят странные цветки, в которых несколько кругов лепестков или тычинок вместо одного. (Далее я расскажу об этом подробней.) Вариантов может быть множество, и трудно сомневаться, что их появление – шанс для эволюции, что какие-то из необычных форм когда-то оказались удачными, прижились, размножились и обогатили флору новыми видами. Иногда мутанты становятся родоначальниками сортов культурных растений, и в любом случае они представляют большой интерес для генетиков. Скрещивая их с нормальными растениями и между собой, анализируя у потомства строение побегов, соцветий и цветков, реакцию на разные стимулы, можно не только обнаружить новые гены, но и что-то узнать об их взаимодействиях.
Рассматривая эти процессы, никак нельзя обойтись без представления о генных сетях – системах функционально связанных генов (рис. 1). Одни из них кодируют рецепторы внешних сигналов, другие – рецепторы фитогормонов, третьи – структурные и рабочие белки (например, ферменты или белки-транспортеры). Есть среди них и гены внутриклеточных регуляторов, продукты которых индуцируют одни группы генов и репрессируют другие. Таким образом, один сигнал может влиять на образование сразу нескольких белков, а вся система генов с регуляторными путями позволяет согласовывать разные процессы и доводить их до желанного результата – появления цветка и семян.
Рис. 1. Гипотетическая схема простой генной сети. Продукт гена 1 – рецептор внешнего сигнала. При поступлении этого сигнала индуцируется регуляторный ген 2. Он через свой белок индуцирует гены 3 и 4 и репрессирует ген 5
Далеко не все гены выявлены, не для всех известны белки-продукты, не говоря уж об их многочисленных взаимодействиях. Исследования проведены лишь на модельных растениях, а у тех, которые нас заинтересовали, цветение может происходить не в тот срок или отличается строение цветка. (Впрочем, довольно часто сходные гены цветения есть у растений, состоящих в весьма отдаленном родстве – консерватизм основных процессов цветения уже не вызывает сомнения.)
И все же многое постепенно выясняется. Очень полезны методы генной инженерии. Они позволяют выключить изучаемый ген, увеличить его количество в клетке, изменить последовательность аминокислот в его продукте, изменив таким образом активность этого белка, или заставить ген не замечать сигналы, регулирующие его экспрессию.
Изучение функции отдельных генов относится к направлению, которое называют функциональной геномикой. Она идет бок о бок со сравнительной геномикой, находящей общее и различия в генах разных организмов. Эти дисциплины уже перестали быть новыми и экзотичными, чего не скажешь о еще одном направлении биологии – эводевотике, эволюционной генетике развития (от еvolutionary developmental genetics). В рамках этого направления ученые исследуют, как изменения в генах, контролирующих развитие, приводят к эволюционным изменениям в морфологии и физиологии растений. Возможно, это один из главных способов эволюции, ведь мутации в регуляторных генах по необходимости должны влиять на все подчиненные гены. Вероятно, именно так возникали согласованные изменения в разных органах. Это, конечно, не значит, что мутации не происходят в отдельных генах и что такие мутации совсем не важны.
Метаморфозы
Цветок – это видоизмененный побег, в котором листья превратились в чашелистики, лепестки венчика, тычинки и плодолистики, у большинства растений образующие пестики. Первым на это обратил внимание Гете, заметив у некоторых растений переходные формы между разными частями цветка и листьями. На основе этих наблюдений поэт создал учение о метаморфозе, занявшее почетное место в биологии. Примеры переходных форм приводит К.А.Тимирязев в знаменитой книге «Жизнь растения». У пиона есть постепенные переходы между листом и чашелистиком, чашелистиком и лепестком венчика, плодолистиком и листом, у кувшинки – между лепестком и тычинкой. Уже в эпоху генной инженерии были проведены опыты по генетической трансформации арабидопсиса, в результате из их листьев удалось получить цветковые органы.
Исторически развитие цветка шло от неопределенного количества частей одного типа, расположенных по спирали, как у лютика, к кругам с постоянным количеством частей (розоцветные, капустные, пасленовые). Кстати, что-то похожее произошло и у животных, когда из кольчатых червей с множеством сходных по строению члеников получились насекомые с немногими более специализированными частями тела. Другие направления эволюции цветка приводили к тому, что части цветка становились менее разнообразными: вместо четырех типов органов возникало три или два, изредка даже один. Кроме того, цветки часто переходили от радиальной симметрии к двусторонней.
В индивидуальной истории растения цветки появляются не сразу. В семени их зачатков нет, в отличие от зачатков листьев и корней. Это было бы слишком расточительно, очень уж много семян пропадает. Растение сначала вырастает, достигает определенной стадии развития (нечто вроде половой зрелости), убеждается, что попало в хорошие условия, копит ресурсы, а уж потом цветет.
Для роста побега на его верхушке находится недифференцированная ткань – апикальная (верхушечная) меристема. Ее клетки быстро делятся, зона деления перемещается вместе с верхушкой побега. Клетки на ее периферии дифференцируются – превращаются в специализированные. Когда растение набирает массу в стадии вегетативного роста, верхушечная меристема образует листья и стебель (рис. 2). Все меняется, когда приходит пора закладывать цветки.
Рис. 2. Дикие формы и некоторые мутанты арабидопсиса.
Слева направо: дикая форма длинного дня; икая форма короткого дня; мутанта по гену LFY цветки похожи на побеги; у мутанта по гену AP1 ветвящиеся цветки, у мутанта по обоим генам LFY и AP1 цветков нет – только вегетативные побеги. (по Trends in Plant Science, 1999, Vol. 4, No. 2)
Пора цветения
В нашем климате сады, как известно, цветут один лишь раз, да и то недолго. И не только сады, но и деревья в лесах, и травы. Неужели солнечного света едва хватает на одну порцию плодов и семян? Вполне возможно, ведь семена содержат концентрированное, энергонасыщенное вещество – запасные белки, углеводы, масла. Семян должно быть много. А многолетникам приходится не только цвести, но и накапливать запасы на зиму. Количество света, площадь листьев, эффективность фотосинтеза и последующих биосинтезов таковы, что вырастить можно не больше определенного количества семян.
Принимая решение создавать цветки, растение учитывает несколько обстоятельств. Прежде всего – принятую видом стратегию опыления и размножения. Подснежники, прострелы, мать-и-мачехи торопятся зацвести пораньше, едва стает снег, астры, хризантемы, кульбабы тянут до последней возможности. Яблони, вишни, сливы, рябины, другие деревья и кустарники семейства розоцветных радуют нас в мае. Многие луговые растения цветут на пике лета, в июле. Если растение опыляется насекомыми, сроки цветения приходится согласовывать с их активностью.
Важнейшие факторы, управляющие временем закладки цветков, – температура и продолжительность светового дня. Температура среды не только задерживает или ускоряет цветение, но и способна запретить или разрешить его, когда даже о цветочных зачатках и речи нет. В наших широтах немалому числу растений (например, озимым злакам, некоторым капустным) для цветения необходимо, чтобы семена перезимовали. Холод (температура +2–10°С) во время прорастания семян что-то с ними делает, и растение, появившееся из таких семян, способно дать цветы. Переход растения в другое состояние при воздействии низких положительных температур называют яровизацией (по-английски вернализацией) – это как бы запись о том, что зима состоялась.
Яровизация – не единственное условие цветения, а иногда – необходимое, но недостаточное. Обычно непосредственным внешним сигналом служит продолжительность светового дня, что совсем неудивительно. Если день увеличивается, значит, стоит весна, впереди много тепла и света, семена успеют завязаться, вырасти и созреть. Это особенно важно для растений умеренных и приполярных широт. День уменьшается – скоро наступит осень. Однако растение целое лето копило резервы, и у него еще есть шансы расцвести и оставить семена под зиму. Растения короткого дня больше распространены в субтропиках.
Зависимость физиологических процессов от длины светового дня называют фотопериодизмом. За него отвечают специальные белки-фоторецепторы, расположенные в листьях, – фитохромы. Самая распространенная система фитохромов чувствительна к красному свету (с длиной волны от 620 до 680 нм и максимумом действия при 660 нм) и к «дальнему красному» свету (с длиной волны от 700 до 760 нм и максимумом действия при 730 нм). Дальний красный свет переводит фитохром в неактивную форму Р660, красный – в активную Р730. В темноте Р730 медленно разрушается. Солнечный свет содержит примерно поровну красного и дальнего красного цвета, но действует, как красный. Это значит, что при увеличении светового дня равновесие между формами фитохрома сдвигается в сторону активной, она не успевает разрушиться за ночь, накапливается и действует как индуктор на зависящие от длины дня гены, в том числе и гены цветения. У растений короткого дня все происходит наборот: при уменьшении количества Р730 цветение становится возможным. Такова общая схема, она действует не всегда.
К растениям длинного дня относятся яровые злаки умеренной зоны, арабидопсис, шпинат, свекла, табак Nicotiana sylvestris, белена. Растения короткого дня: рис, просо, конопля, соя, табак Nicotiana tabacum. Томаты, гречиха, горох, мятлик (распространенный дикорастущий злак) безразличны к длине светового дня.
Мутация генов, отвечающих за фотопериодические реакции, может привести к тому, что растение перестает реагировать на продолжительность светового дня так, как ему положено. Именно это произошло с табаком в 20-е годы, когда на поле табака Nicotiana tabacum появилась мутация Мэриленд Маммот (Мэрилендский мамонт). Оно вырастало до необычных размеров потому, что не зацветало на поле и продолжало наращивать массу листьев и побегов. В теплице мутантные растения зацвели только в декабре, при очень коротком световом дне.
Большой материал накоплен по мутантам арабидопсиса (резушки Таля) – любимого растения генетиков (рис.2). Похожие гены и мутации должны быть у его близких родственников из семейства капустных, или крестоцветных: рапса, капусты, редьки и других.
У арабидопсиса найдены гены «автономного» пути, которые обеспечивают цветение, и гены фотопериодичности, которые регулируют прохождение по этому пути в зависимости от продолжительности светового дня. Среди вторых хорошо изучены FRI (FRIGIDA) и FLC (FLOWERING LOCUS C). У озимого арабидопсиса аллели в обоих локусах доминантны. FLC кодирует фактор транскрипции – белок, регулирующий синтез матричной РНК для комплекса из нескольких генов. Экспрессия этого гена приводит к задержке цветения. Ген FRI усиливает экспрессию FLC. При яровизации экспрессия FLC выключается, и растения могут зацвести рано, однако если мутации происходят в генах автономного пути, FLC не репрессирован и растение цветет поздно. Если же мутация происходит в самом гене FLC и он перестает работать, арабидопсис начинает цвести, не дожидаясь длинного дня.
Уже предпринимались попытки с помощью генетических манипуляций управлять реакциями растения на продолжительность дня. Недавно группа корейских ученых решила замедлить цветение у редьки. Известно, что, как только продолжительность дня становится больше определенной, капустные, в том числе редиска и редька, перестают образовывать нежные корнеплоды и выбрасывают стрелки – собираются цвести. Качество корнеплодов при этом портится, но, если отдалить цветение, они дольше останутся годными для еды. Корейские биотехнологи встроили в геном местной редьки один из генов, индуцируемых длинным световым днем. Хитрость в том, что ген перевернут и при транскрипции с него считывается матричная РНК, комплементарная нормальной. Они связываются и образуют комплекс, матричная РНК уже не может быть использована при синтезе белка-регулятора, и реакция на световой день прерывается.
Сигнал о продолжительности дня растения корректируют – вводят поправку на внешние обстоятельства: температуру, количество воды, минеральное питание и другие. Важность этих факторов для разных растений различна. У некоторых видов цветение полностью определяется внешними условиями, и, если те не сложились, растения не цветут. Чаще благоприятные внешние факторы только ускоряют цветение. А есть и такие растения, которые не обращают внимания на внешние условия – если уж те годятся для роста, то подойдут и для цветения. К таким относится, например, горох.
Строительство цветка
Как спланировать цветы – подобрать вид, форму, цвет? Все зависит от стратегии опыления. Если используются насекомые, нужны приманки: большой яркий венчик необычной формы, нектар, запах – в общем, творчество, как в Доме моделей, где есть место и эпатажу вроде гнилостного запаха, и авангарду, и классике. У многих видов вся эта роскошь прикрыта плотными чашелистиками, что очень удобно: и незаметно до поры до времени, и фотосинтез идет. Если опылитель – ветер, на красоту и большой размер можно не тратиться, а сделать цветки легко продуваемыми и вырастить их побольше числом.
Наблюдая за образованием цветка, мы сталкиваемся с общебиологическими явлениями: морфогенезом (образованием частей тела с определенной формой из малооформленной массы клеток), детерминацией (выбором пути развития малодифференцированной клеткой), дифференцировкой (превращением неспециализированных клеток в специализированные). Что происходит во время этих превращений с клетками, молекулами, генами, ботаники хотели бы знать не меньше, чем эмбриологи животных или медики.
Когда все необходимые приказы согласованы и получены клетками апикальной меристемы, она превращается в меристему соцветий, или цветковую. Последняя формирует зачатки частей цветка – примордии. Те образуются от периферии к центру: сначала зачаточные чашелистики, затем лепестки венчика, тычинки и, наконец, пестики, состоящие из одного или нескольких сросшихся, а иногда – полностью или частично свободных плодолистиков.
О том, что в это время происходит активация каких-то генов, догадались уже в 70-е годы, когда обнаружили, что в ядрах клеток при этом уменьшается содержание гистонов, а в цитоплазме накапливаются РНК и белки. Затем ускорялся синтез ДНК, чаще происходили митозы – деления клеток. Однако только в последние десятилетия начали обнаруживать и выделять конкретные гены, занятые в процессах морфогенеза, детерминации, дифференцировки. Сейчас ученые составляют и уточняют схемы взаимодействия генов при подготовке и во время цветения, сравнивают разные растения, отыскивают у них подобные по функции и строению гены, строят схемы эволюции генов и цветения в целом.
У арабидопсиса (рис. 3) во время роста в вегетативной апикальной меристеме работает ген TFL. (От terminal flo-wer – цветок на конце побега. Он называется так потому, что одна из его мутаций приводит к появлению на конце побега арабидопсиса одиночного цветка вместо точки роста соцветия.) Ген TFL находится в противоборстве с геном LFY (от leafy – листовой) – они репрессируют друг друга. Сначала активен первый, но в какой-то момент под действием внешних и внутренних факторов (продолжительности светового дня, температуры, фитогормонов гиббереллинов и прочих), о которых речь уже шла, ген LFY перебарывает TFL и начинает тормозить его. LFY – ключевой ген в процессах образования цветков. Его продукт – фактор транскрипции, следовательно, ген LFY может регулировать экспрессию других генов.
Рис. 3. На схеме показаны места, где в клетках апикальной меристемы работают гены TFL, LFY, API/CAL
Когда меристема готова создать цветок, ее клетки, расположенные в разных зонах, должны определиться – чем им стать. Первая задача – заложить круги зачатков, грубо поделить на них клеточную массу. Здесь генетикам удалось открыть простые закономерности. Выяснилось, что гены, которые отвечают за образование частей цветка, делятся на пять групп и проявляют пять видов активности, обозначаемых буквами А, В, С, D, E. Вероятно, не все еще найдены, но уже известно, что к группе А относятся гены АР1 и АР2, к В – АР3 и PI, к С – AG, к D, вероятно, – AGL11 и к Е – SEP1, SEP2, SEP3. В самых крайних зачатках экспрессируются гены группы А, и образуется чашечка цветка. А, В и E вместе дают начало венчику, В, С и E – тычинкам, С и E – плодолистикам. Гены с активностью D необходимы для образования семяпочек, а с активностью Е участвуют в создании лепестков, тычинок, плодолистиков и, вероятно, семяпочек (Рис. 4). Кроме упомянутых, в формировании цветка участвуют и многие другие гены. К сожалению, до сих пор не вполне понятно, в результате действия каких генов в определенных клетках активируются гены групп А, А и В и т.д.
Рис. 4. Генная сеть, определяющая цветение у арабидопсиса (данные на январь 2002 года – по Trends in Plant Science, 2002, Vol.7 No.1)
Естественные мутации или экспериментальное выключение этих генов приводят к изменениям в строении цветка. Например, если не работают гены с активностью B, то получится цветок, состоящий из двух рядов чашелистиков и плодолистиков двух типов, одни из которых расположены внутри других.
Украшения цветка
В клетках разных зачатков неодинаковый обмен веществ. В лепестках часто образуются красивые пигменты, например антоцианины. В чашелистиках синтезируется хлорофилл и протекает фотосинтез. Внутри цветка у основания пестика образуются нектарники. Какие-то клетки начинают вырабатывать эфирные масла, придающие цветку его аромат.
Каким образом части цветка приобретают присущую им форму, пока непонятно. Простые округлые лепестки, вероятно, образуются без особых сложностей, но в построении сложных, таких, как у дельфиниума, водосбора, львиного зева или бобовых, должны быть свои хитрости. Каким-то образом гены определяют направление деления и разрастания клеток.
Понятно, что в развитии жестких или нежных органов (например, чашелистиков или лепестков) по-разному участвуют гены, отвечающие за формирование и состав клеточной стенки.
Нам пока еще далеко до общей картины цветения на молекулярном уровне, и мы можем только воображать, как сигналы внешней среды через фитохромы и другие рецепторы посылают посредников «по инстанциям» в ядро клетки, как там изменяется экспрессия регуляторных генов, как белки-регуляторы пробираются в дебрях расплетенных хромосом к своим мишеням, как начинают синтезироваться новые ферменты, как они запускают реакции биосинтеза, характерные для цветка. Значит, впереди много открытий.
Автор благодарит за консультации кандидата биологических наук О.А.Шульгу (Центр «Биоинженерия» РАН)
