Автореферат (Взаимодействие генетических и фитогормональных факторов в контроле развития растений)

На правах рукописиКАВАЙ-ООЛ УРАНА НИКОЛАЕВНАВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГЕНЕТИЧЕСКИХ ИФИТОГОРМОНАЛЬНЫХ ФАКТОРОВ В КОНТРОЛЕ РАЗВИТИЯРАСТЕНИЙ03.02.07 – ГенетикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степенидоктора биологических наукМОСКВА – 20112Работа выполнена на кафедре генетики биологического факультета Московскогогосударственного университета имени М.В.Ломоносова и в Институте общейгенетики им. Н.И.Вавилова РАН.Научный консультант:доктор биологических наук, профессорОфициальные оппоненты:доктор биологических наук, профессорЕжова Татьяна Анатольевна,МГУ имени М.В.Ломоносова, МоскваТарасов Валентин Алексеевич,Учреждение Российской академии наукИнститут аридных зон Южногонаучного центра РАН, Ростов-на-Донудоктор биологических наук, профессорСоловьев Александр Александрович,РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева,Москвадоктор биологических наук, профессорЧуб Владимир Викторович,МГУ имени М.В.

Ломоносова, МоскваВедущая организация:Санкт-Петербургскийгосударственный университетЗащита диссертации состоится ____________ 2012 года в _____ часов на заседанииДиссертационного совета Д 002.214.01 при Учреждении Российской академии наукИнституте общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН по адресу: 119991, г. Москва,ГСП-1, ул. Губкина, д.3.Тел.: (499) 135-62-13, Факс: (499) 132-89-62E-mail: iogen@vigg.ru, aspirantura@vigg.ru; Адрес в Интернете: www.vigg.ru.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академиинаук Института общей генетики им.

Н.И. Вавилова РАН по адресу: 119991, г. Москва,ул. Губкина, д.3.Автореферат разослан ____________________ 2011 года.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат биологических наукСинельщикова Татьяна Аркадьевна3Посвящается светлой памяти моих родителейОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность темы. Генетика развития растений является одним изфундаментальных направлений современной биологии, успехи которого во многомсвязаны с исследованиями на модельном растении Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Впоследние годы становится все более понятным, что процессы морфогенеза –результат функционирования многих генов, которые могут взаимодействоватьразным образом или действовать независимо.

Работа многих генов контролируетсявнешними и внутренними сигналами, среди которых важнейшими являютсяфитогормональные. Действие фитогормонов, их способность регулироватьэкспрессию генов опосредована функционированием сигнальных путей (Тарчевский,2002). Гены, кодирующие компоненты сигнальных путей, также находятся подсложным генетическим контролем организма в соответствие с внешними ивнутренними условиями. Синтез самих фитогормонов, которые «запускают»сигнальные пути, также регулируется многими генами (Лутова и др., 2010). Действиеауксина, одного из важнейших гормонов, управляющих развитием растений на всехстадиях онтогенеза, зависит не столько от места его синтеза в растении, сколько отего полярного транспорта, который, в свою очередь, контролируется специальнымигенетическими системами (Galweiler et al.

1998; Friml, 2003; Benkova et al., 2003;Медведев, 1996; Чуб, 2010).В настоящее время становится все более ясным, что плейотропный эффект,который демонстрируют подавляющее большинство, а может быть и все геныконтролирующие развитие, является результатом сложных взаимодействий междугенами, контролирующими морфогенез. Под влиянием разных сигналов, включаягормональные, один ген может «включаться» на разных стадиях развития,контролируя морфогенез разных органов. Не удивительно, что у впервые описанныхв конце 80-х – начале 90-х годов генов, контролирующих развитие, и после 20 - 30 летинтенсивных исследований обнаруживаются все новые функции.Развитие растений, образование органов на протяжении всего жизненного циклавозможно благодаря функционированию апикальных меристем побега и корня,которые содержат стволовые клетки и являются источником клеток для созданияорганов (Батыгина, 2007; Иванов, 2011).

Изучение взаимодействия генетических ифитогормональных факторов в контроле пролиферации клеток - важнейшая задача,решению которой сегодня уделяется особое внимание. Выявление генов,контролирующих пролиферацию клеток имеет важное практическое значение,поскольку открывает новые возможности для создания растений с новыми способамирепродукции.

В настоящее время благодаря исследованиям отечественныхэмбриологов разработаны теоретические основы репродукции растений,позволяющие прогнозировать генотип потомства, что открывает новые перспективы вуправлении отдельными этапами онтогенеза (Батыгина и др., 2010). Основой для4такого управления служит информация о генных и фитогормональныхвзаимодействиях, контролирующих разные типы репродукции.Изучение взаимодействия генов и фитогормональных факторов в контролеразвития растений является актуальным направлением исследований, посколькупозволяет объединить данные генетических и физиологических исследований, полнееисследовать функцию генов и их места в генных сетях морфогенеза, что являетсянеобходимой предпосылкой для создания моделей виртуального растения.Анализ мутантов – эффективный инструмент генетики развития (Лутова и др.,2010).

Коллекция A.thaliana кафедры генетики МГУ содержит уникальные мутанты сизменениями морфогенеза, которые были получены С.И. Янушкевичем, О.П.Солдатовой и Т.А. Ежовой. Исследования этих мутантов были начаты мной еще в1992 году во время выполнения кандидатской диссертации на кафедре генетики МГУ,часть работы проведена в Тувинском университете и Институте общей генетики РАН,а основная часть исследований, выполнены на кафедре генетики за последние 8 лет,благодаря предоставленной возможности пребывания в докторантуре в ИОГен истажировке на кафедре генетики МГУ и Международном учебно-научномбиотехнологическом центре МГУ.Цель исследования: изучение генетического контроля морфогенеза модельногорастения Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.

и выяснение роли взаимодействия генов ифитогормональных факторов в регуляции процессов развития.Основное внимание уделено изучению функции гена ABR/PID1,контролирующего полярный транспорт ауксина, в регуляции морфогенеза побега, еговзаимодействию с ключевыми генами морфогенеза, а также изучению функции ранеене исследованных генов, выявленных на основе анализа мутантов из коллекциикафедры генетики МГУ.В связи с этим, решались следующие задачи:1. Генетический анализ (особенности наследования, тесты на аллелизм,картирование) новых мутаций ap1-20, lfy-107, lfy-109, fip1, fip2, fas4, er2, min2 изгенетической коллекции A.

thaliana кафедры генетики МГУ и изучение их влияния наморфогенез побега и цветка.2. Анализ распределения активного ауксина в тканях растений A.thaliana дикоготипа и мутантов с использованием репортерного гена ß-глюкуронидазы (GUS - генuidA E.coli), слитого с ауксинчувствительным промотором DR5.3.

Изучение генных взаимодействий на основе анализа фенотипа двойныхмутантов и сравнительного изучения экспрессии в растениях дикого типа и мутантоврепортерного гена ß-глюкуронидазы, слитого с промоторными и регуляторнымиучастками генов LFY, AP1 и KN1.4. Изучение влияния мутантных аллелей исследуемых генов напролиферативную активность клеток с помощью репортерного гена ßглюкуронидазы, слитого с промоторной и регуляторной участками гена циклинаCYCB1;1.55. Создание коллекции мутантных линий A. thaliana, содержащих в геномеконструкции LFY::GUS, AP1::GUS, KN1::GUS, CYCB1;1::GUS, DR5::GUS.6.

Создание модели генетической и гормональной регуляции морфогенезапобега и цветка A. thaliana с участием гена ABR/PID1, контролирующего полярныйтранспорт ауксина, и других генов, исследованных в диссертационной работе (ТАЕ,NA, FAS4, FIP1, FIP2, ER2 и MIN2).Научная новизна. Выделены и охарактеризованы новые мутации,затрагивающие различные этапы развития модельного растительного объектаA.thaliana.

Идентифицированы новые ключевые гены, контролирующие важнейшиеэтапы развития побега и цветка. Впервые показано, что ген ABR/PID1,контролирующий полярный транспорт ауксина, взаимодействует с генами A.thaliana,контролирующими как ранние (LFY и AP1), так и поздние (AP2, AP3, PI, АG) этапыформирования флоральной меристемы. Кроме совместного действия с гомеозиснымигенами AP1 и AP2 в I-II мутовках флоральной меристемы, ген ABR/PID1 вместе сгенами AP3, PI и AG участвует в формировании органов II - IV мутовок цветка. ГенABR/PID1 участвует и в контроле пролиферации клеток апикальной меристемыпобега и флоральной меристемы, комплементарно взаимодействуя c генами CLV, TAEи AG.Впервые исследованы мутации fip1 и fip2, нарушающие дифференцировку листаи/или цветка A. thaliana и, по-видимому, затрагивающие процесс деления клеток врастениях. Установлено, что гены FIP1 и FIP2 совместно с генами AS1 и AS2участвуют в контроле пролиферации клеток органов околоцветника.Выявлен новый ген FAS4, контролирующий пролиферацию клеток апикальноймеристемы побега и, совместно с генами АР1 и АР2, участвующий в регуляцииразвития органов околоцветника.

Впервые показано, что ген NA участвует в контроледеления клеток в апикальной меристеме и листьях. Установлено, что ген LFY игомеозисные гены AP1, AP2, AP3 и AG, а также ген NA влияют на распределениеауксина в органах растений A. thaliana.Научно-практическая значимость работы. Показано, что мутация abr можетслужить удобной моделью для анализа влияния зависимых от температурыградиентов ауксина на процессы морфогенеза A. thaliana.Путем скрещиваний и отборов создана новая коллекция мутантных линий,содержащих в геноме химерные гены LFY::GUS, AP1::GUS, DR5::GUS, KN1::GUS иCYCВ1;1::GUS. Эти мутантные линии с химерными генами являются удобнымимоделями для изучения генетической регуляции морфогенеза растений, в том числе –и фитогормональными сигналами.Результаты диссертационной работы интегрированы в лекции по генетикеразвития растений, которые читаются на кафедре генетики МГУ, и лекции погенетике растений для ТувГУ, а также используются на занятиях Большогопрактикума на кафедре генетики МГУ по изучению экспрессии ключевых геновморфогенеза у A.