Сергей Хаблак

Новая теория гетерозиса

Концепция аллельного и неаллельного механизма возникновения гетерозиса

Шрифты предоставлены компанией «ПараТайп»

© Сергей Хаблак, 2019

В книге раскрыта новая теория аллельного и неаллельного механизма возникновения гетерозиса. Изложен вопрос о закреплении гетерозиса у растений-самоопылителей в последующих поколениях.

Рассмотрена проблема механизма взаимодействия генов при наследовании признаков. Показана взаимосвязь сигнальной системы растения и взаимодействия генов при наследовании признаков. Для агрономов, генетиков, селекционеров, физиологов, преподавателей вузов и студентов.

16+

ISBN 978-5-4496-2579-3

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Оглавление

1. Новая теория гетерозиса
2. ВВЕДЕНИЕ
3. ГЛАВА 1
   1. ВЗАИМОСВЯЗЬ СИГНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РАСТЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕНОВ ПРИ НАСЛЕДОВАНИИ ПРИЗНАКОВ
   2. 1.1. СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, В КОТОРЫХ ФУНКЦИЮ СЕНСОРА ДЛЯ ЦИТОКИНИНОВ И ЭТИЛЕНА ВЫПОЛНЯЮТ РЕЦЕПТОРНЫЕ ГИСТИДИНКИНАЗЫ
   3. 1.2. СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ В СЕБЯ В КАЧЕСТВЕ СОПРЯГАЮЩЕГОСЯ КОМПОНЕНТА ГЕТЕРОТРИМЕРНЫЕ ГТФ-СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ (G-БЕЛКИ)
   4. 1.3. ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ
   5. 1.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ RHD3 И SAR1, GPA1 И SLR, SHY2 И MSG1 ПРИ НАСЛЕДОВАНИИ ПРИЗНАКОВ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ
4. ГЛАВА 2
   1. ТЕОРИЯ АЛЛЕЛЬНОГО И НЕАЛЛЕЛЬНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕНОВ В МЕХАНИЗМЕ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ГЕТЕРОЗИСА
   2. 2.1. СОМАТИЧЕСКИЙ ГЕТЕРОЗИС ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ГЕНОВ ETR1 И ETR2
   3. 2.2. ГЕТЕРОЗИС ПО ДИАМЕТРУ РОЗЕТКИ ЛИСТЬЕВ ПРИ СКРЕЩИВАНИИ РАСТЕНИЙ РАС COLUMBIA И LANDSBERG
5. ГЛАВА 3
   1. АНАЛИЗ И ОБОБЩЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
   2. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Гетерозис представляет собой сложное и весьма важное для эволюции и селекции явление увеличения мощности, жизнеспособности и продуктивности гибридов первого поколения (F₁) по сравнению с родительскими формами. Понятие о гетерозисе впервые вел в науку американский генетик В. Шелл в 1914 г.

В последние годы гетерозис установлен для многих растений, животных и микроорганизмов. Однако вопрос о механизме гетерозиса до сих пор остается нерешенной проблемой генетики.

В настоящее время объяснение причин гетерозиса сводится к двум основным гипотезам — доминирования и сверхдоминирования. По гипотезе доминирования гетерозис связан с тремя эффектами действия доминантных генов: подавлением ими вредных рецессивных аллелей, аддитивным эффектом и неаллельным комплементарным взаимодействием. Гипотеза сверхдоминирования объясняет эффект гетерозиса взаимодействием между доминантными и рецессивными аллелями одного гена. К сожалению, к настоящему времени ни одна из этих двух гипотез не может полно объяснить природу явления гетерозиса.

В книге изложена новая теория аллельного и неаллельного механизма возникновения гетерозиса, согласно которой преимущество гибридов F₁ над родительскими формами обусловлено различными видами аллельного и неаллельного взаимодействия генов, при котором создается лучшее сочетание генов, обусловливающее оптимальное выражение хозяйственно-ценного признака. При этом возникновение гетерозиса у гибридов F₁ вызвано целым рядом эффектов генов. Из которых, часть эффектов связаны с аллельным взаимодействием генов: подавлением доминантными генами рецессивных аллелей, кодоминированием (смесь действия обоих аллелей одной аллельной пары). Другие эффекты определены межгенным взаимодействием генов: аддитивным полимерным действием, неаллельным комплементарным взаимодействием, эпистазом и модифицирующим действием. В связи с тем, что в механизме проявления гетерозиса наблюдаются практически все формы межгенного неаллельного и аллельного взаимодействия генов, природу это явление до сих пор было трудно объяснить.

Рассмотрен вопрос о закреплении гетерозиса у растений-самоопылителей в последующих поколениях. Определены гены, которые в гетерозиготном состоянии вызывают преимущество гибридов F₁ над родительскими формами.

Обобщены лишь некоторые, наиболее актуальные сведения, касающиеся влияния сигнальной системы регуляции развития растения на взаимодействие генов при наследовании признаков. На основании полученных результатов показано, что при наследовании признаков, которые контролируются генами, отвечающими за определенные звенья сигнальной цепи, наблюдаются все основные формы взаимодействия генов.

ГЛАВА 1

ВЗАИМОСВЯЗЬ СИГНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РАСТЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕНОВ ПРИ НАСЛЕДОВАНИИ ПРИЗНАКОВ

1.1. СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, В КОТОРЫХ ФУНКЦИЮ СЕНСОРА ДЛЯ ЦИТОКИНИНОВ И ЭТИЛЕНА ВЫПОЛНЯЮТ РЕЦЕПТОРНЫЕ ГИСТИДИНКИНАЗЫ

В последние годы благодаря стремительно развивающимся исследованиям молекулярных механизмов регуляции экспрессии генов становится все более ясным, что проблема механизма взаимодействия генов тесно связана с сигнальной системой клеток (Хаблак, Парий, 2013; Инге-Вечтомов, 2000). В клетках растений было обнаружено существование сигнальных цепей, которые с помощью специальных белков-рецепторов, в большинстве случаев расположенных в плазмалемме, воспринимают сигнальные импульсы, преобразуют, усиливают и передают их в геном клетки, вызывая репрограммирование экспрессии генов и изменения в обмене веществ (в том числе кординальные), связанные с включением ранее «молчавших» и выключением некоторых активных генов (Тарчевский, 2002).

В последнее десятилетие идут по нарастающей достижения в области изучения генома растений, выделения генов, ответственных за определенные этапы роста, развития, старения растений, их ответа на стрессовые воздействия и патогены. Выделены гены, контролирующие регуляторные системы растений, начиная от рецепторных белков и кончая генами факторов, определяющих включение определенных генетических программ (Кулаева, 2000).

В настоящее время интенсивно исследуются МАР-киназная, аденилатциказная, фосфатидатная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФН-оксидазная, NO-синтазная и протонная сигнальные системы и их роль в онтогенетическом развитии растений (Тарчевский, 2002).

За последние годы достигнут значительный прогресс в изучении хемосигнальных систем растений, через посредство которых фитогормоны осуществляют регуляцию широкого спектра биохимических и физиологических процессов в растительной клетке (Шпаков, 2009).

В последнее время становится все более понятным, что процесс морфогенеза — результат функционирования многих генов, которые могут взаимодействовать разным образом или действовать независимо. Работа многих генов контролируется внешними и внутренними сигналами, среди которых важнейшими являются фитогормональные. Действие фитогормонов, их способность регулировать экспрессию генов опосредована функционированием сигнальных путей. Гены, кодирующие компоненты сигнальных путей, также находятся под сложным генетическим контролем растения в соответствии с внешними и внутренними условиями. Синтез самих фитогормонов, которые запускают сигнальные пути, также регулируется многими генами (Циганкова и др., 2005).

Большую роль в раскрытии функций фитогормонов сыграло изучение взаимодействия между генной и гормональной регуляцией роста у карликовых мутантов различных видов растений (Муромцев, Агнистикова, 1973; Чайлахян и др., 1977). Показано, что возможность образования каждого из фитогормонов регулируется экспрессией определенных генов (Кулаева, 1978; Шпаков, 2009).

К настоящему времени определены некоторые ключевые гены, содержащие промоторы, чувствительные и специфические к фитогормонам, свету и другим факторам, и контролирующие многие важные процессы и этапы жизнедеятельности растений (фотосинтез, фотоморфогенез, формирование листьев, цветков, азотфиксация, эмбриогенез, старение и так далее) (Шестаков, 1998; Инге-Вечтомов, 2000).

Достигнуты успехи в изучении путей биосинтеза некоторых классов фитогормонов, механизма их действия на молекулярном уровне (McCourt, 1999; Kevin et al., 2002; Новикова и др., 2009; Романов, 2009). С помощью молекулярно-генетических методов определены отдельные гены, контролирующие регуляторные белки-ферменты, участвующие в каскадном механизме регуляции этапов синтеза фитогормонов (Романов, Медведев, 2006; Шемаров, 2006).

Частично изучены пути передачи сигналов от фитогормонов по цепи: рецепторы — вторичные мессенджеры — специфические гены. В общих чертах исследованы механизмы сигнальных взаимодействий между разными классами фитогормонов и установлена их физиологическая роль в регуляции онтогенетических стадий развития растений (как эмбриональной, так и постэмбриональной). Раскрыто участие фитогормонов в фотоморфогенетических процессах, в повышении устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды и к патогенам (Цыганкова и др., 2005).

За последнее время накоплено много экспериментальных данных об молекулярных принципах биологического ответа, которые позволяют по новому подойти к пониманию механизма, посредством которого происходит взаимодействие генов при наследовании признаков.

Как известно, для восприятия генерируемых фитогормонами сигналов и их преобразования в конечный ответ клетки растения используют различные по своей структурно-функциональной организации хемосигнальные системы (Шпаков, 2009). В настоящее время у растений хорошо исследованы двухкомпонентные сигнальные системы, в которых функцию сенсора выполняют как рецепторные гистидинкиназы, так и серин-треониновые потеинкиназы. Через посредство рецепторных гистидинкиназ свои регуляторные эффекты реализуют этилен и цитокинины. У A. thaliana и риса (Oryza sativa) выявлено три семейства рецепторных гистидинкиназ, первое из которых включает в себя рецепторы этилена, второе — фоторецепторы, в то время как третье объединяет гистидинкиназы АНК-семейства, включающие в себя цитокининовые рецепторы и осмосенсорные гистидинкиназы (Нwang et al., 2002).

Исследования последних лет ознаменовали значительный прогресс в понимании процессов сигнализации и биосинтеза цитокининов. Эти достижения стали возможны благодаря полной расшифровке первого растительного генома (у Arabidopsis thaliana) и получению мутантов с подавленными эффектами цитокининов (Романов, 2008). Молекулярно-генетические и физиологические исследования этих мутантов позволило изолировать и секвенировать у арабидопсиса гены биосинтеза (AtIPT1 — AtIPT9), инактивации и сигнализации фитогормонов этого класса (AHK2, AHK3 и AHK4/CRE1) (Nishimura et al., 2004).

Сравнительно недавно у арабидопсиса было найдено три гена (AНK2, AНK3 и CRE1/WOL1/AНK4), кодирующих сенсорные гистидинкиназы AНK2, AНK3 и CRE1/WOL1/AНK4, которые являются мембранными рецепторами цитокининов (Riefler et al., 2006). Мутации ahk2—5, ahk3—7 и wol-1 в этих генах обусловливают у растений инактивирование функций мембранных рецепторов гистидинкиназ AНK2, AНK3 и CRE1/WOL1/AНK4. В результате чего у мутантных растений арабидопсиса снижается чувствительность клеток к цитокининам и гены первичного ответа перестают отзываться на эти гормоны (Higuchi et al., 2004).

Созданные двойные и тройные мутанты по генам рецепторов цитокининов (AHK2, AHK3 и AHK4/CRE1) позволили уточнить роль отдельных рецепторов для тех или иных физиологических процессов. В результате в ходе развития растения был выявлен ряд новых регулируемых цитокинином процессов (Романов, 2008).

Т. Мицуно с сотрудниками доказали, что сенсорные гистидинкиназы AНK2, AНK3 и CRE1/WOL1/AНK4 A. thaliana являются рецепторами цитокининов. В результате изящно спланированных и осуществленных экспериментов получены неопровержимые доказательства участия в передаче цитокининового сигнала мембранных рецепторов AНK2, AНK3 и CRE1/WOL1/AНK4 и других белков, имеющих отношение к биокомпонентной регуляторной системе, в частности, RR белков В-типа, обладающих функцией транскрипционных факторов (Suzuki et al., 2001).

В лабораториях Дж. Кибера (США) и Т. Сугиямы (Япония) у арабидопсиса и кукурузы были обнаружены гены, напрямую активирующиеся цитокинином. Одним из первых обнаруженных цитокинин-чувствительных генов был ген так называемого регулятора ответа, получивший название ARR5 (Taniguchi et al., 1998).

В настоящее время считается общепринятым, что A. thaliana содержит три близких по строению сенсорных гистидинкиназы — рецепторов цитокининов: CRE1/AНK4, AНK2 и AНK3. Эти рецепторные гистидинкиназы являются интегральными белками, пронизывающими плазматическую мембрану 2 (AНK4) или 3 (AНK2 и AНK3) раза (Wulfetange et al., 2011).

По своей структуре сенсорные гистидинкиназы относятся к белкам так называемой двухкомпонентной системы передачи сигналов. Такие системы трансдукции сигналов основательно изучены у бактерий, где они широко представлены (Pareek et al., 2006).

В своем классическом виде двухкомпонентная система состоит из сенсорной гистидинкиназы (рецептор) и регуляторного ответа (транскрипционный фактор). Под влиянием специфического сигнала рецептор димеризуется, фосфорилируется и далее передает свой «горячий» фосфат на остаток аспартата регулятора ответа. Последний обладает ДНК-связывающим доменом, с помощью которого соединяется в результате активации с определенной последовательностью ДНК в составе промотора и активирует или, наоборот, репрессирует соответствующий ген (Heyl, 2003).

Сходные по структуре рецепторы цитокининов обнаружены у эволюционно далеких от арабидопсиса видов: кукуруза и рис. У всех изученных растений рецепторы цитокининов представляют собой AНK-семейство близкородственных белков — мембранных гистидинкиназ, подобных сенсорным гистидинкиназам одноклеточных организмов. Отличаются эти белки-рецепторы между собой у разных видов растений числом трансмембранных сегментов, содействующих с CHASE-доменом (cyclase histidine kinase-assiciated sensing extracellular), который отвечает за узнавание и связывание цитокининов (Yonekura-Sakakibara et al., 2004).

Достижения последних лет позволяют лучше представить молекулярные механизмы, благодаря которым цитокинины реализуют свое физиологическое действие в растении. На примере модельного растения арабидопсиса установлено, что магистральным путем восприятия цитокининового сигнала клеткой является путь с участием мембранных гистидинкиназ как рецепторов двухкомпонентной системы для трансдукции сигналов на ограниченный спектр генов первичного ответа (Романов, 2009).

В геноме A. thaliana также обнаружено пять генов (ETR1, ETR2, EIN4, ERS1 и ERS2), кодирующих сенсорные гистидинкиназы, которые являются рецепторами для этилена. Эти гены входят в состав небольшого генного семейства белков-рецепторов этиленового сигнала (Liu et al., 2010).

Рецепторные гистидинкиназы ETR1, ETR2, EIN4, ERS1 и ERS2 состоят из связывающегося этилен интегрального домена, содержащего три трансмембранных участка, а также расположенного в цитоплазме GAF-домена, ответственного за образование межмолекулярных комплексов, и гистидинкиназного домена. Белки-рецепторы ETR1, ETR2, EIN4, ERS1 и ERS2 также имеет значительный по размеру С-концевой воспринимающий домен, который является типичным функциональным модулем в рецепторных гистидинкиназах бактерий и служит для осуществления реакции трансфосфорилирования. В рецепторах ETR1, ETR2, EIN4, ERS1 и ERS2 гистидинкиназный домен обладает ферментативной активностью (Hua et al., 1995).

Мутации по генам ETR1, ETR2, EIN4, ERS1 и ERS2 вызывают повреждения мембранных рецепторов, через которые проявляется реакция растений на этилен. Обработка этиленом этих мутантных растений не дает типичного ответа проростков на С2Н4: у них в отличие от дикого типа не происходит прекращение роста стебля, его утолщение и подавления роста корня. Этилен не вызывает у данных мутантов активацию этиленчувствительных генов (Qu et al., 2007).

Пути восприятия этилена в растении продублированы несколькими рецепторами, поэтому получить полностью нечувствительные к нему растения достаточно трудно. Для этого необходимо, чтобы растение оказалось мутантным по 4—5 генным локусам одновременно (Moussatche, Klee, 2004).

Генетические исследования показали, что у A. thaliana за рецепторными белками ERS1, ERS2, EIN4, ETR1 и ETR2 в системе передачи этиленового сигнала расположен белок CTR1 (репрессор передачи сигнала), контролируемый геном CTR1, который блокирует в норме прохождение сигнала. Репрессорный белок ETR1 находится в комплексе с мембранными рецепторами ERS1, ERS2, EIN4, ETR1 и ETR2 (Yoo et al., 2008). Мутация ctr1—1 по гену CTR1 приводит к морфологическим изменениям у арабидопсиса, которые могли бы возникнуть при постоянном включении этиленовой программы. Этот белок репрессирует этиленовые программы у дикого типа (Ikeda et al., 2009).

Изучение первичной структуры (аминокислотной последовательности) белка CTR1 показало его принадлежность к семейству широко распространенных у эукариот серин/треониновых протеинкиназ, участвующих в так называемом МАР-киназном каскаде (МАР от англ. mitogen activated protein), в котором последовательно одна киназа фосфорилирует другую и тем самым активирует ее для фосфорилирования следующей протеинкиназы в цепи передачи сигнала на белки хроматина (Etheridge et al., 2005).

Ближайшим мессенжером в передачи этиленового сигнала внутрь ядра клетки является мембранный белок EIN2, расположенный в ядерной мембране, который кодируется геном EIN2 (An et al., 2010). Предполагается, что в отсутствие этилена рецепторные гистидинкиназы, связывающие его, стимулируют CTR1-белок, представляющий собой RAF-подобную протеинкиназу, которая в активном состоянии является неактивным регулятором каскада митогенактивируемых протеинкиназ. Связывание этилена с рецепторной гистидинкиназой нарушает ее взаимодействие с CTR1-белком, что ведет к снятию ингибирующего влияния CTR1-белка на каскад митогенактивируемых протеинкиназ. В результате активируется зависимый от этого каскада EIN2-белок, локализованный в ядерной мембране, и функционально связанные с ним факторы транскрипции EIN3 и EIL1, которые регулируют экспрессию генов, определяющих ответ клетки на действие этилена (Shibuya et al., 2004).

Мутация в гене EIN2 обусловливает у растений дефекты в ядерном мембранном белке EIN2, который воспринимает этиленовый сигнал от вторичных посредников и передает его внутрь ядра клетки к эффекторным белкам, ответственным за транскрипцию определенных генов. Это приводит у мутантных растений, в конечном счете, к подавлению генетических программ, обеспечивающих специфический ответ на этилен растений (Muday et al., 2006).

1.2. СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ В СЕБЯ В КАЧЕСТВЕ СОПРЯГАЮЩЕГОСЯ КОМПОНЕНТА ГЕТЕРОТРИМЕРНЫЕ ГТФ-СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ (G-БЕЛКИ)

У многоклеточных и одноклеточных эукариот широко распространены хемосигнальные системы, в которых функцию сопрягающего компонента между опознающим внешний сигнал рецептором серпантинного типа и эффекторным белком, ответственным за конечный ответ клетки, выполняет гетеротримерный G-белок. Однако еще сравнительно недавно считали, что у растений такие системы отсутствуют. Открытия последних лет заставили кардинально пересмотреть эту точку зрения. В настоящее время сопряженные с G-белками сигнальные системы и их компоненты обнаружены у нескольких видов растений. В наибольшей степени такие системы изучены у A. thaliana и гороха (Pisym sativum), в геноме которых выявлены гены, кодирующие рецепторы серпантинного типа, гетеротримерные G-бели и регуляторные RGS-белки, являющиеся функциональными блоками сопряженных с G-белками сигнальных систем (Шпаков, 2009).

В геноме A. thaliana обнаружены гены, которые кодируют субъединицы, формирующие молекулу гетеротримерного G-белка: одну Gα- (GPA1), одну Gβ- (AGB1) и две Gγ-субъединицы (AGG1 и AGG1). Ген GPA1 контролирует альфа-субъединицу гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (G-белки), содержащих альфа (AtGPA1), бета (AGB1) и гамма (AGG) субъединицы. Продукт гена GPA1 участвует в передаче фитогормонального сигнала с активированного гормоном рецептора к факторам транскрипции, которые регулируют экспрессию генов в растении (Ullah et al., 2002).

Ген AGP1 кодирует бета-субъединицу гетеротримерных ГТФ-связывающих белков. Белок гена AGP1 выполняет функцию подавления передачи гормонального сигнала к эффекторным белкам, которые инициируют или подавляют транскрипцию определенных генов, что влечет за собой включение или выключение определенных физиологических и генетических программ развития растения (Borner et al., 2002).

У многих растений выявлены G-белки и установлена их роль в регуляции важнейших физиологических и биохимических процессов (Chen et al., 2011). Эти данные указывают на то, что и у большинства (если не у всех) растений имеются сопряженные с G-белками сигнальные системы, активируемые фитогормонами (Шпаков, 2009).

Гетеротримерные ГТФ-связывающие белки соединены с мембранными рецепторами GPCR (англ. G protein-coupled receptors), которые в своем строении имеют 7 трансмембраннных доменов, в результате этого они получили название 7 ТМ-рецепторы (от Seven Transmembrane Receptor), семиспиральные рецепторы, или серпентины. Семиспиральные рецепторы, сопряженные с G белками, составляют большое семейство трансмембранных рецепторов. GPCR рецепторы выполняют функцию активаторов внутриклеточных путей передачи сигнала, приводящими в итоге к клеточному ответу. Рецепторы этого семейства обнаружены только в клетках эукариот: у дрожжей, растений, хоанофлагеллят и животных (Pandey, Assmann, 2004).

У A. thaliana также имеется более 50 генов, кодирующих белки, которые по структурной организации сходны с рецепторами серпантинного типа животных и грибов и, следовательно, могут выполнять их функции. Большинство этих белков обладают высокой гомологией по отношению к однородным рецепторам позвоночных животных. В структуре восьми из них идентифицированы участки, которые включают в себя молекулярные детерминанты, ответственные за функциональное взаимодействие с гетеротримерными G-белками (Gookin et al., 2008).

Первым среди рецепторов серпантинного типа у A. thaliana был изучен рецептор GCR1, который обладает гомологией первичной структуры по отношению как к цАМФ-рецепторам амебы Dictyostelium discoideum (23—25% идентичности), так и к рецепторам кальцитонина и серотонина позвоночных животных (Plakidou-Dymock et al., 1998). Показано, что GCR1 взаимодействует с α-субъединицей (GPA1) гетеротримерного G-белка, причем ключевую роль в этом взаимодействии, как и в большинстве других рецепторов серпантинного типа, играют его вторая и третья цитоплазматические петли (Pandey, Assmann, 2004).

1.3. ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ

Непосредственный контроль над развитием органов и тканей растений осуществляется транскрипционными факторами-белками, которые после перемещения в ядро клетки регулируют транскрипцию, специфически взаимодействуя с ДНК либо с другими белками, которые могут образовывать комплекс белок-ДНК. В настоящее время у арабидопсиса установлены более 1800 генов, кодирующих белки-регуляторы транскрипции, которые обычно классифицируют по строению ДНК-связывающих доменов (Медведев, Шарова, 2010). Вчастности, ген SHR1 у A. thaliana является геном-регулятором (переключателем) развития корневой системы, который детерминирует процессы роста и дифференцировки клеток корня. Он кодирует транскрипционный фактор (белок), регулирующий активность верхушечной меристемы корня (Levesque et al., 2006).

Ген SHR1 контролирует генетическую программу формирования корня и его тканей, обеспечивая включение или выключение определенных генов в нужный момент развития растения. Действуя в соответствии с генетической программой или в ответ на внешние воздействия, белок SHR инициирует или подавляет транскрипцию определенных генов, что влечет за собой изменения в клеточной морфологии, клеточной дифференциации и морфогенезе корня (Welch et al., 2007).

В результате мутации shr-1 гена SHR1 апикальная меристема на главном корне в зоне деления теряет свою способность к активному делению и образованию новых клеток, то есть утрачивает меристематическую активность (Helariutta et al., 2000). Кроме этого, мутация shr-1 в гене SHR1 приводит к потере в корне самого внутреннего слоя первичной коры — эндодермы, а также к уменьшению размеров клеток центрального цилиндра (Nakajima et al., 2001).

Белок гена SHR1 принадлежит к GRAS семейству транскрипционных факторов, которое включает более 30 белков, участвующих в регуляции развития корня и побегов, в ответных реакциях на гиббереллины, в передаче фитогормонного сигнала. Кроме белка SHR (short root), к семейству транскрипционных факторов GRAS относятся такие белки, как GAI (gibberellic acid insensitive), PAT1 (phytochrome A signal transduction), RGA1 (repressor of GA1), SCR (SCARECROW) и другие (Sena et al., 2004).

Ген SCARECROW1 (SСR1) выполняет аналогичную роль в корневой системе растения, как и ген SHR1. Наряду с геном SHR1 ген SСR1 регулирует функционирование апикальной меристемы корня, сохраняя при этом способность инициальных клеток к активному делению и образованию новых клеток (Sabatini et al., 2003).

Мутация sсr-1 по гену SСR1 вызывает у растений в зоне деления главного корня дезорганизацию покоящегося центра и потерю меристематической активности инициальных клеток. Это приводит к истощению пролиферирующих клеток в апикальной меристеме корня и, как следствие, к прекращению роста корневой системы (Heidstra et al., 2004). Мутация sсr-1 гена SСR1 также влияет на развитие в корне слоя клеток коры, нарушая ее радиальное строение. Она приводит к потере в корне слоя клеток коры между эпидермисом и перициклом, которая в норме у растений состоит из таких трех частей, как экзодерма, мезодерма и эндодерма (Helariutta et al., 2000).

Подобно гену SHR1 ген SСR1 кодирует транскрипционный фактор, принадлежащий к GRAS семейству генов, который тесно связан с транскрипционным фактором гена SHR1, поскольку белок SHR необходим для активации в коре эндодермы экспрессии гена SСR1 (Kamiya et al., 2003).

Другими из таких генов считаются гены ALF3, ALF4, SHY2/IAA3, ARF19, NPH4/ARF7, SLR1/IAA14, AXR2/IAA7, AXR3/IAA17, MSG1/IAA19 и IAR2/IAA28. Гены ALF3 и ALF4 кодируют белки — активаторы транскрипции, расположенные в ядре клеток. Продукты генов ALF3 и ALF4 за счет инициирования или подавления транскрипции определенных генов регулируют функционирование клеток перицикла, сохраняя их способность к активному делению, дифференцированию в постоянные ткани, образованию и развитию зачатков боковых и придаточных корней (Di Donato et al., 2004).

Гены NPH4/ARF7, ARF19 входят в состав семейства транскрипционных факторов раннего ответа на ауксин AUXIN RESPONSE FACTOR (ARF). Они кодируют регуляторные белки ARF19, ARF7, соответственно, которые контролируют транскрипцию регулируемых ауксином генов (Wilmoth et al., 2005).

Гены SHY2/IAA3, SLR1/IAA14, AXR2/IAA7, AXR3/IAA17, MSG1/IAA19, IAR2/IAA28 являются членами семейства ауксин-индуцируемых генов Aux/IAA (auxin/indole-3-acetic acid) и контролируют транскрипционные факторы (белки) IAA3, IAA14, IAA7, IAA17, IAA19, IAA28, регулирующие положительную и отрицательную генетическую регуляцию экспрессии генов позднего ответа на ауксин (Abel et al., 1995).

За последние 15 лет в различных видах растений было идентифицировано пять основных семейств генов раннего ответа на ауксин: GST семейство генов, GH3 семейство генов, SAUR семейство генов, ARF семейство генов и Aux/IAA семейство генов. Гены первого семейства (GST гены — GH2/4, parA, parB, parC, pCNT103) кодируют белки глутатион S-трансферазы (GST, ГСТ) — ферменты, ответственные за конъюгацию сульфгидрильной SH₂ группы с электрофильными атомами C, N, S, O молекул ксенобиотиков. GST катализирует реакцию глутатиона с различными алифатическими, ароматическими, эпоксидными и гетероциклическими радикалами экзогенных повреждающих веществ. GST найдены у всех млекопитающих, а также растений (Hagen et al., 2001).

Гены второго семейства (GH3 гены — GH3) кодируют белки, которые являются ферментами реакции конъюгации ИУК в ИУК-аминокислоту. Белки семейства генов GH3 поддерживают гомеостаз внутриклеточного содержания ауксина в огромном числе видов растений. При внешних воздействиях именно пул конъюгированных форм ауксина определяет изменения концентрации АУК в клетке. Функция генов третьего семейства (SAUR гены — SAURs, ARG7, SAUR-AC1) до сих пор не установлена (Hagen et al., 2003).

Наконец, гены четвертого и пятого семейств (ARF гены — ARF1 до ARF22 и Aux/IAA гены — Aux22, Aux28, ARG3, ARG4, GH1, PS-IAA4/5, PS-IAA6, IAA1 — IAA14) являются наиболее изученными генами из пяти семейств генов раннего ответа на ауксин. Они контролируют транскрипцию ауксин-регулируемых генов. Гены данных семейств кодируют короткоживущие транскрипционные активаторные или репрессорные белки, локализованные в ядре клеток. Эти белки содержит βαα ДНК-связывающий домен, который взаимодействует с характерными участками ДНК, расположенными в регуляторных областях генов. На основании этого ДНК-связывающего домена было предложено, что продукты генов семейств ARF и Aux/IAA могут быть транскрипционными регуляторами поздних генов, ответственных за вторичный ответах клеток растений на ауксин (Leyser, 2001). Недавние исследования показали, что транскрипционные репрессорные белки генов семейства Aux/IAA могут также подавлять транскрипционные факторы ARF семейства генов (Walker, Estelle, 1998).

В последнее время появляются экспериментальные доказательства взаимосвязи сигнальной системы растения и взаимодействия генов при наследовании признаков.

1.4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНОВ RHD3 И SAR1, GPA1 И SLR, SHY2 И MSG1 ПРИ НАСЛЕДОВАНИИ ПРИЗНАКОВ КОРНЕВОЙ СИСТЕМЫ

Центральной проблемой генетики является вопрос о взаимодействии генов, поскольку гены в процессе индивидуального развития организма вступают во взаимодействие с другими генами, и поэтому их эффекты могут изменяться.

Открытие явления взаимодействия генов имело важнейшее значение для всего последующего развития генетики. На основе этих факторов было отброшено представление об организме как мозаике наследственных факторов, высказанное в конце ХІХ в. немецким биологом А. Вейсманом. Оказалось, что наследственный фактор нельзя рассматривать как зачаток будущего признака, и в организме абсолютной независимости генов друг от друга, как она представлялась Г. Менделю, не существует. На смену этим взглядам было выдвинуто положение о сложной связи и взаимодействии генов в системе генотипа при развитии любого признака организма (Гуляев, 1984).

В последние годы благодаря стремительно развивающимся исследованиям молекулярных механизмов регуляции экспрессии генов становится все более ясным, что проявление большинства, а может быть и всех признаков растений и животных, в онтогенезе является результатом взаимодействия многих генов. При этом часто наблюдаемый так называемый плейотропный эффект генов, заключающийся во влиянии одного гена на развитие двух и большего числа признаков, определяется сложным взаимодействием между генами (Инге-Вечтомов и др., 2000; Хаблак и др., 2012).

Исследованиями последних 100 лет удалось установить, что все разнообразие межгенных взаимодействий проявляется в четырех основных формах: комплементарности, эпистаза, полимерии и модифицирующего действия генов. Каждая из этих форм приводит к характерным изменениям известных числовых отношений при расщеплении в дигибридном скрещивании (Лобашев, 1985).

Однако механизм взаимодействия генов, который отражается на характере расщепления гибридов различных скрещиваний, изучен недостаточно. Без учета молекулярной генетики, биохимии и физиологии отдельно взятый генетический анализ наследования признаков при взаимодействии генов не может раскрыть природу этого взаимодействия.

Проблема взаимодействия генов тесно связана с сигнальной системой регуляции развития растения. Объяснить механизм, посредством которого происходит взаимодействия генов, можно исходя из современных представлений о молекулярных принципах биологического ответа.

Любой признак, свойство или реакция на неблагоприятные условия среды в организме развивается в результате функционирования многих генов, которые могут взаимодействовать различным образом. Регуляция экспрессии этих генов контролируется эндогенными и экзогенными сигналами. Восприятие сигналов у организмов осуществляется сигнальной системой, способной вызвать активацию клеточных механизмов регуляции, которые обусловливают изменение экспрессии генов, их перепрограммирование и приводят в конечном итоге к наблюдаемой реакции. При этом сигнальный цепь передачи сигнала в ядро клетки может быть представлен следующим образом: сигнал → восприятия (рецептор) → передача → реакция.

В соответствии с современными представлениями о молекулярных механизмах биологического ответа, гены, контролирующие путь передачи сигнала и вызывающие развитие признака или ответной реакции, можно условно разделить на две большие группы:

1. гены, ответственные за восприятие и передачу сигнала внутрь клетки;

2. гены, непосредственно обеспечивающие реализацию ответа на сигнал, то есть так называемые гены первичного и вторичного ответа.

Гены первой группы кодируют белки-рецепторы, воспринимающие определенный сигнал химической или физической природы, в том числе особые белки (например, G-белки, протеинкиназы, протеинфосфатазы и др.), некоторые низкомолекулярные соединения, входящие в состав каскадной системы молекул-посредников, которые осуществляют передачу воспринятого сигнала в ядро клетки. Гены, относящиеся ко второй группе, контролируют транскрипционные факторы, регулирующие экспрессию определенных генов, а также ответную реакцию на сигнал.

Под влиянием мутаций, возникающих в разных генах, контролирующих определенные звенья сигнальной цепи, частично или полностью блокируется путь передачи сигнала в ядро клетки и ответная реакция, что приводит на уровне растения в целом и его органов к нарушению проявления признака. Такое явление наблюдается в реализации многих признаков у животных и растений, в том числе и у A. thaliana.

При наследовании таких признаков, как правило, наблюдается как аллельное, так и неаллельное взаимодействие генов. Простейшим примером аллельного взаимодействия генов является полное подавление доминантным геном проявления рецессивного гена одной аллельной пары, которое наблюдается практически во всех скрещиваниях у гибридов первого поколения.

Так, например, у A. thaliana ген SHR1 кодирует транскрипционный фактор, который контролируют экспрессию генов в ядре клетки (Abel et al., 1995; Helariutta et al., 2000). Мутация shr-1 гена SHR1 приводит у растений к развитию мочковатой корневой систем, которая характеризуется замиранием главного корня и формированием многочисленных придаточных корней (Хаблак, 2013). Ген GPA1 участвует в передачи сигналов в двухкомпонентных хемосигнальных системах растений и кодирует альфа-субъединицу G-белков (Weiss et al., 1993). Мутация gpa1—3 по гену GPA1 обусловливает у растений подавление развития придаточных корней, что приводит к образованию стержневой корневой системы (Хаблак, Абдуллаева, 2011). При скрещивании растения мутантной линии shr-1 с мочковатой корневой системой с растением мутантной линии gpa1—3, имеющим стержневую корневую систему, у гибридов F₁ образуется корневая система смешанного типа, характерная для дикого типа, которая является результатом взаимодействия генов двух аллельных пар (shr-1 <SHR1, gpa1—3 <GPA1) (Хаблак, Абдуллаева, 2012).

Примерами неаллельного взаимодействия при наследовании таких признаков являются эпистаз, полимерия, комплементарное и модифицирующее действие генов. Комплементарное действие генов у A. thaliana наблюдается при наследовании формы корневых волосков при взаимодействии генов RHD3 и SAR1, когда оба дополнительных гена проявляются самостоятельно.

Ген RHD3 кодируют α-субединицу G-белков (ГТФ-связывающих белков), которые осуществляют передачу сигнала от рецептора к эффекторным белкам, что стимулирует транскрипцию генов и обусловливает конечный ответ клетки (Weiss et al., 1993). Мутация rhd3—1 гена RHD3 обусловливает на корнях развитие волнистых волосков эпиблемы (Shan et al., 2008). Ген SAR1 является геном, обеспечивающим реализацию ответа на сигнал, и кодирует белок (синаптобревин), участвующий в основном в соединении внутриклеточных везикул (мембранных пузырьков) с внешней клеточной мембранной (Ono et al., 2006). Мутация sar-1 в гене SAR1 приводит у растений к образованию расширенных в верхней части (головчатых) выростов клеток кожицы корня (Park et al., 2004).

Трубчатая (цилиндрическая) форма коревых волосков определяется гомозиготным состоянием аллеля RHD3, волнистая — аллеля rhd3—1. Другая аллельная пара в гомозиготном состоянии также определяет трубчатую форму корневых волосков SAR1 SAR1, тогда как рецессивное гомозиготное состояние гена sar-1 sar-1 приводит к образованию головчатой формы волосков эпиблемы. При скрещивании двух растений мутантных линий rhd3—1 и sar-1 арабидопсиса, обладающих волнистыми и головчатыми корневыми волосками, гибриды первого поколения RHD3 rhd3—1 SAR1 sar-1 оказываются с цилиндрической формой восков эпиблемы. От самоопыления таких форм во втором поколении наблюдается расщепление растений по фенотипу в отношении 9 с цилиндрической формой корневых волосков: 3 с головчатой формой выростов клеток кожицы корня: 3 с волнистой формой волосков эпиблемы: 1 с волнистой, утолщенной на верхушке, формой выростов поверхностных клеток корня.

Не смотря на то, что в F₂ данного дигибридного скрещивания характер расщепления по фенотипу не нарушается, однако у 1/16 растений наблюдается комплементарное действие генов. Появление у растений во втором поколении волнистых, расширенных в верней части, корневых волосков у A. thaliana обусловлено совместным действием в генотипе двух комплементарных рецессивных генов rhd3—1 и sar-1, каждый из которых в отдельности может проявляться самостоятельно. При отсутствии в генотипе любого из мутантных неаллельных генов развитие нового признака не происходит.

Эпистатическое действие генов у арабидопсиса наблюдается на примере наследования боковых и придаточных корней в корневой системе при взаимодействии генов GPA1 и SLR1. Ген SLR1 кодирует регуляторный белок, который контролируют экспрессию генов позднего ответа (Abel et al., 1995; Helariutta et al., 2000). Мутация slr-1 по гену SLR1 вызывает у растений образование только главного корня, который не разветвляется на боковые корни. Ген GPA1 кодирует α-субъединицу гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (G-белки), ответственных за передачу сигнала от рецепторов серпантинного типа к транскрипционным факторам (Weiss et al., 1993). Мутация gpa1—3 в этом гене обуславливает у растений формирование стержневой корневой системы, имеющей ясно выраженный главный корень, который длиннее и толще боковых корней (Хаблак, Абдуллаева, 2011).

У A. thaliana рецессивный аллель gpa1—3 гена GPA1 в гомозиготном состоянии блокирует в корневой системе развитие придаточных корней, а рецессивный аллель slr-1 другого гена — SLR1 также в гомозиготном состоянии подавляет образование придаточных и боковых корней главного корня. От скрещивания растений мутантных линий gpa1—3 x slr-1 все гибриды первого поколения оказываются дикого типа, то есть имеют боковые корни главного корня и придаточные корни. Во втором поколении от самоопыления гибридов F₁ наблюдается расщепление растений на три фенотипических класса в отношении 9/16 с боковыми корнями главного корня и придаточными корнями (GPA1_ SLR1_): 3/16 с боковыми корнями главного корня, но без придаточных корней (gpa1—3 gpa1—3 SLR1_): 4/16 без боковых корней главного корня и придаточных корней (GPA1_ slr-1 slr-1, gpa1—3 gpa1—3 slr-1 slr-1).

Такое поведение признаков в наследовании можно объяснить рецессивным эпистазом типа slr-1 slr-1> GPA1 _, когда рецессивная аллель одного гена — SLR1 в гомозиготном состоянии подавляет действие доминантной аллели другого гена — GPA1 в гомо- или гетерозиготном состоянии. Причем растения генотипа slr-1 slr-1 GPA1 _ оказываются без боковых корней главного корня и придаточных корней, как и двойной гомозиготный рецессив slr-1 slr-1 gpa1—3 gpa1—3, поскольку рецессивный ген slr-1 в гомозиготном состоянии вызывает формирование только главного корня, который не разветвляется на боковые корни, тем самым не дает возможности проявиться доминантному гену GPA1 в гомо- или гетерозиготном состоянии, обусловливающему развитие в корневой системе придаточных и боковых корней главного корня.

Полимерное действие генов у A. thaliana наблюдается в процессе наследования в корневой системе длины боковых корней главного корня при взаимодействии генов SHY2 и MSG1. Гены SHY2 и MSG1 кодируют транскрипционные факторы, которые контролируют экспрессию генов в ядре клетки (Abel et al., 1995; Helariutta et al., 2000). Мутации shy2—2, msg1—1 в генах SHY2, MSG1 обусловливают в корневой системе нарушения в ветвлении корней (Хаблак, Абдуллаева, 2012).

У арабидопсиса растения некоторых мутантных линий — msg1—2, shy2—2 и других имеют уменьшенную степень ветвления корней, которая определяется несколькими различными генами. Так, например, нормальная длина боковых корней главного корня определяется доминантными генами SHY2 и MSG1, а укороченная — рецессивными генами shy2—2 и msg1—2. При скрещивании двух растений мутантных линий shy2—2 и msg1—2, обладающих уменьшенной по сравнению с диким типом величиной боковых корней разных порядков ветвления главного корня, все гибриды F₁ (SHY2 shy2—2 MSG1 msg1—2) имеют нормальную длину боковых корней. От самоопыления таких форм в F₂ 15/16 всех растений оказываются с варьирующей длиной боковых корней главного корня и 1/16 без боковых корней.

В данном случае у гибридов второго поколения самую большую длину боковых корней обусловливают две доминантные аллели SHY2 и MSG1 в гомо- или гетерозиготном состоянии, тогда как объединение рецессивных аллелей shy2—2 и msg1—2 в гомозиготном состоянии определяет полное их отсутствие. При этом величина боковых корней зависит от числа доминантных и рецессивных генов в генотипе. Наличие доминантных аллелей двух разных генов SHY2 и MSG1 в гомо- или гетерозиготном состоянии (SHY2_ MSG1_) обусловливает у 9/16 растений максимальную длину