Экспрессия генов идентичности цветковых меристем

Хотя экспрессия генов FLO/LFY и SQUA/AP1 может быть индуцирована независимо друг от друга, очевидно, что наличие активности только одного из этих генов недостаточно для развития нормальных цветков. Однако оставалось неясным, достаточно ли индукции активности одного из этих генов для того, чтобы вызвать нормальное развитие цветка у растений дикого типа. Ответ на этот вопрос был получен путем конструирования трансгенных растений, в которых химерные гены, состоящие из кодирующих последовательностей генов LFY или API и конститутивного промотора p35S вируса мозаики цветной капусты (ВМЦК), экспрессируются во всех тканях, включая меристемы побегов. У таких трансгенных растений в местах, где у растений дикого типа развиваются побеги и эктопические цветки, которые по фенотипу очень близки к цветкам дикого типа. Процесс развития цветка у трансгенных растений с эктопической экспрессией LFY или API зависит от присутствия другого гена пары, поскольку цветки растений с генотипом p35S::LFY apl имеют фенотип мутантов apl (вторичные цветки, меньшее количество лепестков, формирование листоподобных органов вместо чашелистиков), а цветки растений p35S::APl Ify имеют фенотип мутантов Ify (отсутствие лепестков и тычинок, спиральное расположение органов). Таким образом, каждый из этих генов способен индуцировать активность другого гена этой пары в тех местах, где в норме не наблюдается их экспрессия, для формирования нормальных цветков необходимо комбинирование активностей обоих этих генов.

На фенотип мутантов apl влияет ген арабидопсиса CAULIFLOWER (CAL). У двойных мутантов cal «цветки» похожи на структуры, развивающиеся вместо единичных цветков у цветной капусты Brassica oleracea var botrytis (отсюда происходит и название гена - CAULIFLOWER). Клетки, которые обычно дают начало цветковой меристеме, у таких мутантов ведут себя как клетки генеративной меристемы и формируют множество дополнительных меристем, расположенных спирально. Гомозиготы по мутациям cal фенотипически не отличаются от растений дикого типа, что свидетельствует о способности гена API заменять утраченную активность CAL. Цветковые меристемы, которые формируются у мутантов apl, ведут себя как генеративные меристемы у двойных мутантов apl cal, что свидетельствует о способности продукта CAL заменять API при формировании цветковых меристем. И наоборот, поскольку органы первой и второй мутовок у мутантов apl не способны развиваться нормально, продукт CAL не может заменять API при формировании чашелистиков и лепестков. Таким образом, функции продуктов API и CAL частично вырождены, или взаимозаменяемы. В то же время мутации cal не влияют на фенотип мутантов Ify или двойных мутантов apl Ify. Пока еще не ясно, есть ли гомолог гена CAL у львиного зева.

Еще несколько генетических локусов по крайней мере немного влияют на судьбу цветковой меристемы. Хотя мутанты по гену арабидопсиса APETALA2 (АР2) и имеют цветки без признаков генеративного соцветия, в двойных мутантах apl ap2, а также Ify ар2 проявляется роль гена АР2 в формировании цветковой меристемы. Более того, при совмещении apl и ар2 в двойных мутантах наблюдается синергидный эффект; органы в мутантных цветках располагаются по спирали, что характерно для побегов, а количество цветков, развивающихся на одном цветоносе, еще увеличивается. Вероятно, АР2 может функционировать в процессе развития меристем при отсутствии активностей LFY или API.

Ген арабидопсиса UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO), как и LFY - важный активатор генов идентичности органов цветка. Мутанты ufo имеют черты как мутантов по генам идентичности цветковых меристем, так и генов идентичности органов цветка. Первые несколько цветков у них заменяются вторичными соцветиями. Как вторичные соцветия, так и основное соцветие у них заканчиваются карпелоидными или сепаяоидными (чашелистикообразными) структурами. Цветки таких вторичных соцветий характеризуются различными типами гомеозисных изменений в первых трех мутовках органов. Наиболее сильно при этом изменяются органы второй и третьей мутовок, в которых лепестки и тычинки заменяются химерными органами, состоящими из тканей чашелистиков, тычинок, карпел, а также филаментозных элементов. В основании многих цветков формируются прицветники или филаментозные структуры. Кроме того, мутанты ufo характеризуются уменьшением количества органов второй и третьей мутовок. Мутовчатое расположение органов у них выражено менее четко, и иногда трудно сказать, к какой мутовке относится тот или иной орган. Кроме того, у мутантов ufo нередко формируются прицветники без образования побегов или цветков в их пазухах. Разнообразие фенотипа мутантов свидетельствует о множественности функций гена UFO в развитии генеративной и цветковой меристем. Гену UFO приписываются следующие функции:

· установление кругового, или мутовчатого, характера формирования органов цветка;

· участие в контроле детерминированности развития цветка;

· активация генов типа органов цветка APETALA3 и PISTILA-ТА (см. далее), необходимых для развития лепестков и тычинок;

· определение границ между мутовками органов внутри цветочного зачатка.

Мутации в гене LFY в основном эпистатируют над мутациями ufo, что свидетельствует о возможном участии обоих генов в одном пути передачи сигнала. Чтобы проверить, справедливо ли предположение о том, что ген UFO может являться медиатором между геном идентичности меристем LFY и геном типа органов цветка АРЗ, растения арабидопсиса были трансформированы конструкциями с химерным геном из кодирующей последовательности гена UFO, слитой с конститутивным промотором p35S ВМЦК. В цветках таких трансгенных растений инициация экспрессии гена АРЗ происходила преждевременно и в местах, где у дикого типа этот ген не экспрессируется.

Таким образом, ген UFO и в самом деле является регулятором гена АРЗ. В цветках растений p35S::UFO Ify не формируются нормальные лепестки и тычинки. Ген UFO, по-видимому, способен нормально функционировать только при наличии активности гена LFY. Более вероятно, что ген UFO является частично вырожденным корегулятором, действующим вместе с геном LFY, а не просто медиатором между генами идентичности меристем и генами типа органов цветка.

Мутанты ufo похожи на мутанты по гену львиного зева FIM-BRIATA (FIM). Вероятно, эти гены являются гомологами. Фенотип мутантных по гену FIM цветков зависит от силы мутантной аллели. Цветки fim имеют лепестки с полосами тканей чашелистиков больших или меньших размеров. Такие полосы чаще всего располагаются в срединной части нижних лепестков. Иногда в пазухах второй мутовки чашелистиков развиваются вторичные цветки. В цветках сильного мутанта fim 62 тычинки часто заменяются карпелами, сливающимися с карпелами четвертой мутовки. Крайнее выражение мутантного фенотипа fim 62 - недетерминированные цветки, состоящие из чашелистиков. Мутанты по генам UFO и FIM формируют цветки, очень сильно варьирующие по фенотипу, что справедливо для всех аллелей обоих генов.

Мутации в локусе арабидопсиса TERMINAL FLOWER1 (TFL I) приводят к фенотипу, противоположному таковому для мутаций по генам идентичности цветковой меристемы. Апикальная и латеральная меристемы соцветия у них заменяются цветковыми меристемами. Кроме того, как тоже упоминалось ранее, мутанты tfll цветут раньше растений дикого типа. В отличие от растений арабидопсиса дикого типа, имеющих недетерминированное соцветие с множеством цветков и вторичными и третичными соцветиями, мутанты tfll имеют детерминированное первичное соцветие всего лишь с несколькими цветками и не образуют вторичных соцветий. Соцветие заканчивается аномальным цветком, состоящим из двух-трех неполных цветков. Похоже, вторичные меристемы соцветия у мутантов tfll заменяются меристемами цветка, а первичная генеративная меристема превращается в 2—3 смежные цветковые меристемы. Можно предположить, что ген TFL1 необходим для поддержания функциональности, или компетентности, цветковой меристемы, хотя, по-видимому, он активен и в вегетативной фазе развития. TFL1 также играет роль в негативной регуляции экспрессии генов LFY и API в апикальных и латеральных меристемах, хотя такая регуляция может осуществляться и опосредованно.

Гомологом гена TFL1 у львиного зева является ген CENTRO-RADIALIS (CEN). В норме соцветия львиного зева, как и арабидопсиса, являются недетерминированными: цветки образуются в латеральных положениях, и никогда не формируется терминальный, или апикальный, цветок, который был бы последним цветком в соцветии. При этом гены FLO, LFY, SQUA и API экспрессируются в латеральных меристемах, но не в апикальной части соцветия. Однако в апексах меристемы мутантов сеп, как и tfll, образуются терминальные цветки. Как и ожидалось, вышеперечисленные гены экспрессируются в апексах меристем этих мутантов. Более того, условия окружающей среды, которые усиливают фенотип Ify, например короткий день, ослабляют фенотип tfll. Таким образом, гены CEN и TFL1, по-видимому, являются антагонистами генов, индуцирующих развитие цветка, и, возможно, могут предотвращать их экспрессию в апексе соцветия. На основе анализа фенотипов двойных мутантов предполагают, что TFL1 является антагонистом генов LFY, API и АР2. Мутации Ify частично супрессируют tfll, двойные мутанты Ify apl или Ify ap2 характеризуются более выраженным супрессирующим эффектом на фенотип tfll. Терминальный цветок мутантов сеп обладает радиальной симметрией: все его лепестки напоминают вентральные лепестки цветков дикого типа. Количество органов цветка сеп и их филотаксис (расположение} очень вариабельны