Диссертация (1145941), страница 3
Текст из файла (страница 3)
К настоящему времени накоплено большоеколичество данных о функции белков KNOX.Открытие генов KNOX позволило впервые приблизиться к пониманиюмолекулярных механизмов, регулирующих развития апикальной меристемы.Было показано, что ген KN1 экспрессируется в побеговой меристеме, при этом егоэкспрессия подавляется в клетках листовых примордиев (Smith, et al., 1992).Побеговая апикальная меристема (ПАМ) формируется в ходе эмбриогенеза и даётначало всем органам побега.
Благодаря активности ПАМ, у растений возможенорганогенез в течение всей жизни. Такой тип непрерывного развития у растенийотличает их от животных, в отличие от которых растения продолжаютформирование новых органов в постэмбриогенезе и способны модифицироватьсвое развитие в ответ на сигналы окружающей среды. Было показано, чтоактивность KN1 у кукурузы необходима для предотвращения дифференцировки14клеток побеговой апикальной меристемы (Vollbrecht, et al., 2000).
Также былопоказано, что этот ТФ важен для формирования меристемы и для последующегоподдержания её организации (Long, et al., 1996).Впоследствии, гены KNOX были идентифицированы у модельного объектагенетики растений - Arabidopsis thaliana. Семейство генов KNOX у арабидопсисаделится на два класса. Первый класс (KNOX I) включает гены STM(SHOOTMERISTEMLESS), KNAT1 (KNotted in Arabidopsis thaliana) или BP(BREVIPEDICELLUS), KNAT2 и KNAT6. Второй класс (KNOX II) включает геныKNAT3,KNAT4,KNAT5иГеныKNAT7.Iклассаэкспрессируютсяпреимущественно в меристемах, а гены II класса имеют более широкую областьэкспрессии (Scofield and Murray, 2006). Недавно, новый класс белков KNOX,лишенных гомеобокса, так называемый класс M, был охарактеризован уарабидопсиса, томата и M.
truncatula (Kimura, et al., 2008, Magnani and Hake, 2008,Peng, et al., 2011). Генетический анализ показал, что у арабидопсисапредставительданногокласса,ТФKNATM,важендляопределенияпроксимально-дистального паттерна листьев (Magnani and Hake, 2008). У M.truncatula ТФ KNOX класса M играют роль в развитии сложных листьев (Peng etal., 2011).На основе эволюционного анализа генов KNOX у разных видов растенииKNOX первого класса разделяют на три подкласса: STM-подобные, KNAT2/6подобные и KNAT1/BP-подобные, тогда как ТФ KNOX II класса разделяют на дваподкласса: KNAT7-подобные и KNAT3/4/5-подобные (Mukherjee, et al., 2009).1.1.1. Гены KNOX первого класса (KNOX I)Геном арабидопсиса содержит четыре гена KNOX первого класса: STM,KNAT1/ BREVIPEDICELLUS (BP), Kn1-like in Arabidopsis thaliana 2 (KNAT2) иKNAT6. Эти гены участвуют в различных процессах развития у растений. STMявляется первым геном KNOX, экспрессия которого запускается в ходе раннегоэмбриогенеза.
Он активируется на поздней стадии глобулы в центральной части15апикального домена, и как было показано, в ходе вегетативного развития STMэкспрессируется в основном в центральной и периферической зонах ПАМ (Long,et al., 1996). KNAT6 экспрессируется при формировании ПАМ в эмбриогенезе, ипосле установления двусторонней симметрии экспрессия этого гена маркируетграницы ПАМ (Belles-Boix, et al., 2006). Область экспрессии BP совпадает собластью экспрессии этих двух генов в ПАМ в ходе постэмбриональногоразвития. Мутанты по гену BP значительно отличаются по архитектуре отрастений дикого типа вследствие их низкорослости, укорочения междоузлий иснижения апикального доминирования (Byrne, et al., 2003, Douglas, et al., 2002,Smith and Hake, 2003, Venglat, et al., 2002).Ген KNAT6 также экспрессируется во флоэме корня.
Подавление экспрессиигена KNAT6 приводило к увеличению числа боковых корней, что указывает научастие гена KNAT6 в формировании бокового корня (Truernit, et al., 2006). ГенKNAT6, наряду с геном STM, участвует в поддержании ПАМ (Belles-Boix, et al.,2006, Byrne, et al., 2002).KNAT2 экспрессируется во время эмбриогенеза и маркирует основание ПАМ(Byrne, et al., 2002, Dockx, et al., 1995) Также было показано, что промотор генаKNAT2 активен в тканях корня (Truernit, et al., 2006).У модельных растений с простыми листьями, таких как Arabidopsis, кукурузаи табак, экспрессия генов KNOX I класса ограничена меристемой побега истебелем, тогда как эктопическая экспрессия генов KNOX I класса вызываетизменение развития листьев (Lincoln, et al., 1994, Sinha, et al., 1993, Vollbrecht, etal., 1991).
Так, например, эктопическая экспрессия любого из генов KNOX первогокласса в листьях арабидопсиса приводит к резкому изменению формы простоголиста, а также приводит к образованию рассеченной лопастной формы листовойпластинки вследствие изменения границы «меристема-лист» (Shani, et al., 2009).Такая корреляция между экспрессией генов KNOX в листе и усложнением формылиста была подтверждена у томатов и многих других видов растений сосложными листьями (Bharathan, et al., 2002, Hareven, et al., 1996).16У сосудистых растений гены KNOX I класса, по-видимому, играютрешающую роль в развитии сложных листьев.
Также у большинства бобовыхрастений со сложными листьями экспрессия генов KNOX I класса ассоциированас образованием сложных листьев. Однако, у представителей субклады IRLC(inverted repeat–lacking clade) cем. Fabaceae, в том числе у гороха и Medicago,экспрессия KNOX I класса не ассоциирована с формированием сложных листьев.Так, у гороха Pisum sativum вместо генов KNOX I класса в регуляции развитиясложных листьев задействован ген UNIFOLIATA, ортолог генов-регуляторовразвития цветка FLORICAULA (FLO) и LEAFY (LFY) у львиного зева иарабидопсиса, соответственно (Gourlay, et al., 2000, Hofer, et al., 1997).Предполагается, что у представителей клады IRLC ген FLO/LFY можетфункционировать вместо генов KNOX I класса при образовании сложных листьев.Сверхэкспрессия гена KNOX I класса у люцерны Medicago sativa приводила кувеличению числа листовок.
Это означает, что мишени ТФ KNOX I класса,которые способствуют развитию сложных листьев, присутствуют в люцерне и попрежнему чувствительны к регуляции с участием ТФ KNOX I класса. Повидимому, гены KNOX I класса и ген FLO/LFY могли играть частичноперекрывающиеся роли в развитии сложных листьев у предков современныхбобовых, но ген FLO/LFY взял на себя эту роль у растений из клады IRLC(Champagne, et al., 2007).1.1.2. Гены KNOX второго класса (KNOX II)Функциональное различие между генами KNOX первого и второго классабыло постулировано из исследований, основанных на различном характереэкспрессии генов у цветковых растений.
Так, на ряде растений показано, чтоэкспрессия генов KNOX I класса ограничена менее дифференцированнымитканями, тогда как гены KNOX II класса характеризуются более широкимпрофилем экспрессии в дифференцированных тканях и зрелых органах (Furumizu,et al., 2015, Kerstetter, et al., 1994). Широкий профиль экспрессии генов KNOX II17класса был показан для арабидопсиса (Serikawa, et al., 1996, Serikawa, et al., 1997)и томата (Janssen, et al., 1998). Оценка пространственного характера экспрессииэтих генов у Arabidopsis показала, что гены KNOX II класса имеют какперекрывающийся, так и различный характер экспрессии, при этом ониэкспрессируются в большинстве тканей, за исключением меристематическихобластей (Li, et al., 2012, Li, et al., 2011, Truernit, et al., 2006, Zhong, et al., 2008).Предполагается, что гены KNOX второго класса участвуют в развитии корневойсистемы у Arabidopsis.
Так, данные Нозерн-блот анализа показали, что гены KNAT3, 4, 5 экспрессируются в корнях (Truernit, et al., 2006). В зрелом корне Arabidopsisс помощью репортерного гена бета-глюкуронидазы (GUS) была обнаруженаактивность промотора гена KNAT3. (Truernit, et al., 2006). Несмотря наполученные данные о характере экспрессии этих генов, относительно малоизвестно о функции генов KNOX II класса. Известно, что KNAT7, один из четырехпредставителей KNOX II класса у Arabidopsis, участвует в биосинтезе вторичнойклеточной стенки (Li, et al., 2012, Li, et al., 2011, Zhong, et al., 2008). KNAT3участвует в регуляции ответа на АБК (АБК: Абсцизовая кислота) (Kim, et al.,2013). У мутантов арабидопсиса по генам AtKNAT3/4/5, а также у растений сподавлением экспрессии этих генов с помощью РНК-интерференции наблюдаетсяобразованиелопастныхлистьев,фенотип,напоминающийрастениясприобретением функции генов KNOX I класса (Furumizu, et al., 2015).
Хотя этигены экспрессируются также в корнях, у мутантных растений knat3/4/5морфология первичного корня не изменена. Изучение локального анализаэкспрессии генов KNOX II класса не показывает активность GUS в побеговойапикальной меристеме, а также на ранних стадиях развития листьев, ноактивность GUS наблюдалась в более зрелых листовых зачатках. Также былопоказано, что сверхэкспрессия гена KNAT3 вместе с экспрессией гена SAW2, изсемейства BELL (BEL1-like) под контролем промотора STM или совместнаяэкспрессия KNAT5 и SAW2 под контролем промотора STM приводит к отсутствиюэмбриональной побеговой апикальной меристемы и напоминают фенотип18растении с потерей функции STM. Таким образом, было показано, что гены KNOXII класса у Arabidopsis способствуют дифференциации всех надземных органов, ихарактер их действия антагонистичен в отношении генов KNOX I класса.Подавление функции KNOX II класса вызывает фенотип, характерный длярастений с усилением функции KNOX I класса и наоборот, как в поддержанииапикальной меристемы побега, так и в развитии сложных листьев (Furumizu, et al.,2015).
В обоих случаях гены KNOX II класса подавляют меристематическуюактивность, в то время как KNOX I класса поддерживает активность меристем.1.1.3. Взаимодействие белков KNOX-BELLБелки KNOX образуют гетеродимеры с другой группой белков TALE,относящихся к семейству с BEL1-подобным гомеодоменом. Это взаимодействиевызывает как увеличение сродства ТФ KNOX к мишеням, так и оказываетвлияние на внутриклеточную локализацию KNOX (Bellaoui, et al., 2001, Bhatt, etal., 2004, Cole, et al., 2006, Hackbusch, et al., 2005, Smith, et al., 2002).Взаимодействия осуществляются через домен MEINOX (общее название дляконсервативных доменов MEIS у животных и KNOX у растений) у ТФ KNOX.Образовавшийся гетеродимер белков KNOX/BEL1 может связываться с ДНКпосредством их гомеодоменов (Рисунок 2).Рисунок 2 - Взаимодействие гетродимера KNOX- BEL1 с ДНК (Hay and Tsiantis,2010).19Такие регуляторные взаимодействия напоминают взаимодействия междуразличными белками семейства TALE у животных и свидетельствуют об ихобщем эволюционном происхождении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
