Содержание к диссертации
Введение
1.1. Особенности строения и развития корня растений 19
1.1.1. Строение апикальной меристемы корня 21
1.1.2. Эмбриональное развитие корня 23
1.1.3. Формирование боковых и придаточных корней 25
1.2. Экспериментальные данные о регуляции развития корневой системы растений 26
1.2.1. Механизмы функционирования меристемы корня 27
1.2.1.1. Механизмы поддержания пула стволовых клеток в корневой меристеме 28
1.2.1.2. Гормональная регуляция делений клеток в корневой меристеме 30
1.2.1.3. Генетическая регуляция закладки боковых корней 32
1.2.2. Молекулярные механизмы действия ауксина 35
1.2.2.1. Пространственное распределение ауксина в корне 36
1.2.2.2. Диффузия и активный транспорт ауксина в ткани 38
1.2.2.2.1. PIN белки оттока ауксина 40
1.2.2.2.2. AUX1 белок притока ауксина 43
1.2.2.2.3. PGP транспортеры 44
1.2.2.3. Регуляция биосинтеза и деградации ауксина 46
1.2.2.4. Клеточный ответ на ауксин 47
1.2.2.5. Регуляция ауксином собственного транспорта 49
1.2.2.6. Взаимодействие ауксина с другими гормонами 50
1.3. Представление данных о генетике развития растений в базах данных....51
1.3.1. Банки данных по геномике растений 52
1.3.2. Онтология развития растений 56
1.3.3. Базы данных по экспрессии генов растений 57
1.3.3.1. БД по полно-геномным исследованиям экспрессии генов растений 58
1.3.3.2. БД по экспрессии генов в коллекциях трансгенных линий с репортерными конструкциями 59
1.3.3.3. БД интегрирующие информацию из опубликованных статей ...60
1.3.4. БД по фенотипическим аномалиям растений 62
1.3.4.1. БД описывающие фенотипы линий из генетических коллекций.62
1.3.4.2. БД аннотирующие описание фенотипов мутантных и
трансгенных растений по данным из опубликованных статей 64
1.3.5. Заключение по обзору баз данных по растениям 65
1.4. Математическое моделирование развития растений 66
1.4.1. Модели внутриклеточных процессов 67
1.4.2. Модели морфогенеза 68
1.4.2.1. Модели распределения морфогенов 69
1.4.2.2. Моделирование роста и деления клеток 71
1.4.3. Математические модели распределения ауксина в корне 74
1.4.4. Заключение по обзору математических моделей 77
1.5. Заключение по обзору литературы и постановка задач исследования..79
ГЛАВА 2. База данных по генетическому развитию корней растений PGNS- root 81
2.1. Структура и программные составляющие PGNS-root 82
2.1.1. Особенности реализации программного обеспечения PGNS-root 85
2.2. Функциональные возможности PGNS-root 86
2.2.1. Аннотация экспрессии генов разных видов растений 87
2.2.2. Аннотация информации о генах, их аллелях и трансгенных конструкциях 88
2.2.3. Аннотация данных об изменении экспрессии генов или фенотипов растений после обработки активными веществами и факторами 89
2.2.4. Онтология развития корневых систем растений 89
2.3. Возможности анализа данных PGNS-root 91
2.3.1. Автоматические запросы о паттернах экспрессии генов 92
2.3.2. Автоматические запросы о фенотипических аномалиях корневой системы 94
2.4. Содержание базы данных PGNS-root 95
2.5. Заключение по базе данных PGNS-root 96
ГЛАВА 3. Компьютерный анализ данных PGNS-root 98
3.1. Распределение ауксина в корневой системе в норме 99
3.2. Изменения распределения ауксина при обработке активными веществами и факторами 102
3.3. Механизмы биосинтеза ауксина в корне 103
3.4. Механизмы транспорта ауксина 104
3.5. Действие ауксина на экспрессию его основных транспортеров 107
3.6. Морфогенетическая гипотеза самоорганизации распределения ауксина в АМК 108
ГЛАВА 4. Математическое моделирование распределения ауксина в корне
растений 110
4.1. Минимальная модель распределения ауксина в корне 110
4.1.1. Описание минимальной модели распределения ауксина в клеточном ансамбле 112
4.1.2. Оценка параметров и расчет минимальной модели распределения ауксина 115
4.2. Полная модель распределения ауксина в корне 116
4.2.1. Механизмы регуляция деления клеток в полной модели 117
4.2.1.1. Формирование распределения Y в полной модели 118
4.2.1.2. Описание клеточного цикла в модели 119
4.2.2. Устойчивость распределения ауксина к увеличению длины корня 121
4.2.3. Моделирование регуляции структуры меристемы корня ауксином 123
4.2.3.1. Гипотеза о механизме регуляции деления клеток в меристеме корня гормонами ауксином, цитокинином и этиленом 124
4.3. Моделирование распределения ауксина при различных внешних условиях 126
4.3.1. Появление дополнительных максимумов концентраций ауксина в ответ на повышение потока ауксина из побега 128
4.3.2. Действие ингибиторов активного транспорта ауксина на градиент ауксина в корне 131
4.3.3. Регенерация центра покоя после отсечения кончика корня 131
4.3.4. Обработка корня экзогенным ауксином 133
4.3.5. Транспорт ауксина в разных видах растений 135
4.4. Заключение по моделям транспорта ауксина 138
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143
ВЫВОДЫ 147
Список литературы 149
Приложение 1. Формат и примеры описания данных в базе данных PGNS-root
Приложение 2. Полная модель распределения ауксина в терминах динамической грамматики
- Строение апикальной меристемы корня
- Структура и программные составляющие PGNS-root
- Распределение ауксина в корневой системе в норме
Введение к работе
Актуальность работы
Механизмы регуляции развития (морфогенеза) различных организмов интересовали ученых с древнейших времен. Еще в 4-м веке до н.э. Аристотель, изучая законы природы и бытия, говорил об энтелехии (от греч. entelecheia - имеющее цель в самом себе) - движущей силе, которая есть источник изменения от низших форм к высшим. Первичное накопление и осмысление данных о структуре и особенностях развития живых организмов заняло не одно столетие и к XVI веку в биологии возникла задача систематизации накопленных биологических знаний. Анализ данных о морфологии и морфогенезе растений позволил Линнею в XVIII веке создать и ввести в использование бинарную классификацию живых организмов. В XIX веке исследования морфологии животных различных видов позволили Дарвину предложить и обосновать теорию эволюции. Начиная с XIX века, описательные методы в биологии были дополнены целым рядом физико-химических методов, которые позволили добиться огромного прогресса в изучении механизмов морфогенеза. В результате, к концу XX века были определены функции большого числа генов в развитии организмов, выявлены некоторые механизмы регуляции развития, введен термин морфоген, предложена теория позиционной информации. В середине прошлого века, в связи с развитием вычислительной техники, для исследования биологии развития начали применяться математические методы. Процессы, лежащие в основе морфогенеза, протекают на разных уровнях организации живого — молекулярно-генетическом, биохимическом, клеточном, тканевом и организменном. Математические модели позволяют изучать эти сложные динамические процессы в развитии и, что важно, не только описывают экспериментально-наблюдаемые процессы, но также и обладают прогностической силой. Посему, развитие теоретических идей высказанных в работах Тьюринга, Ригерера и Штейна, Волперта и других привело к появлению в начале XXI века целого ряда математических моделей, описывающих механизмы развития отдельных органов растений и животных. Можно с уверенностью сказать, что мы являемся очевидцами изменения методологии изучения биологии развития, важным этапом которого становится математическое моделирование. Эти изменения позволят биологии в будущем стать такой же точной наукой, как и физика.
Объектом исследования в данной диссертационной работе является корневая система растения. Корневая система выполняет ряд важных функций в развитии растения: закрепляет растение в почве, обеспечивает приток в растение воды и минеральных веществ, запасает питательные вещества, через нее осуществляется взаимодействие с корнями других растений, грибами, микроорганизмами, обитающими в почве (микориза, клубеньки бобовых). Понимание механизмов роста и развития корня необходимо как для улучшения агрономически важных качеств культурных растений, например, устойчивости растений к недостатку воды и различных минеральных веществ, так и для изучения фундаментальной биологической проблемы - морфогенеза растений. Отличительной чертой морфогенеза растений является многократное формирование в течение всей жизни организма сходных структурных блоков - модулей. В корневой системе растения модулями являются главный, боковые и придаточные корни, анатомическая структура которых одинакова, но количество от растения к растению может сильно отличаться. На кончиках корней растения находится апикальная меристема, содержащая стволовые клетки и обеспечивающая рост и развитие корня по модульному типу. Сохранение апикальных меристем в развитии при разных условиях выращивания растения является ключевым фактором выживаемости растения. А изучение молекулярно- генетических механизмов, благодаря которым в развитии растения снова и снова формируются апикальные меристемы с заданным паттерном расположения клеток разных типов, является одной из первоочередных задач генетики развития растений.
В анатомической структуре апикальной меристемы выделяют несколько зон, размеры и взаимное расположение которых поддерживаются в развитии посредством специфической регуляции клеточных делений. Прежде всего, это зона «центра покоя» (ЦП), клетки которого почти не делятся и благодаря этому обеспечивают сохранение пула стволовых клеток, окружающих его. Непосредственно под ЦП находится слой клеток с максимальной концентрацией ауксина, который в основном синтезируется в надземной части растения и транспортируется в корень.
Развитие корневой системы растений разных видов в большой степени зависит от распределения в ней гормона ауксина (индолилуксусная кислота, ИУК). В корне ауксин обеспечивает удлинение клеток в зоне элонгации и дифференцировку сосудистой системы, регулирует развитие и функционирование меристемы корня, вызывает развитие боковых и придаточных корней, обеспечивает гравитропизм корня и т.д. Несмотря на то, что действие ауксина на развитие является одной из наиболее изученных областей генетики растений, механизмы регуляции ауксином развития и функционирования ткани растения фрагментарны. Особое внимание этому низкомолекулярному веществу сейчас уделяют еще и потому, что согласно некоторым данным, он селективно действует на раковые клетки человека, вызывая их апоптоз (Kim et al., 2009). Изучение механизмов транспорта ауксина и его действие на стволовые клетки растения, возможно, поможет в будущем выяснить механизмы действия ауксина на животные клетки.
Известно, что в местах закладки корневых меристем растений формируются максимумы концентрации ауксина, которые обеспечивают формирование анатомической структуры меристем и поддержание их функционирования в развитии. Механизмы формирования этих неравномерных распределений до сих пор не до конца понятны. В ряде работ методами математического моделирования были изучены процессы распределения ауксина и их влияние на филлотаксис (de Reuille et al., 2006; Smith et al., 2006; Jonsson et al., 2006; Sahlin et al., 2009) и развитие корня растения (Grieneisen et al., 2007; Laskowski et al., 2009). В работе Grieneisen et al. (2007) была теоретически обоснована роль структурных механизмов в формировании максимума концентрации ауксина в меристеме зрелого корня, в которых решающее значение имеет предопределенная анатомическая структура меристемы. Однако, эти механизмы не работают в развивающемся корне растения, поскольку постулированная в (Grieneisen et al., 2007) анатомическая структура в нем еще отсутствует и формируется в процессе развития растения под действием ауксина. Таким образом, одних структурных механизмов не достаточно для формирования распределения ауксина в базальной части зародыша, в неразвитых меристемах боковых и придаточных корней и при регенерации меристемы корня. Диссертация направлена на выявление механизмов авторегуляции распределения ауксина в развивающемся корне и его действия на развитие меристем корня, которые определяют развитие растений по модульному типу. Решение задач, поставленных в диссертации, необходимо для разработки теоретической платформы для дальнешего решения прикладных задач, таких как улучшение технологий создания трансгенных растений, вегетативного размножения растений, методов выращивания растения в экстремальных условиях, щадящей пересадки деревьев и др.
Цели и задачи работы
Целью настоящей работы является исследование роли ауксина в контроле ранних этапов морфогенеза корня с помощью методов биоинформатики и математического моделирования.
Для достижения данной цели решались следующие задачи:
Разработка онтологии развития корневой системы растений и базы данных по генетической регуляции морфогенеза корня растений разных видов, интегрирующей экспериментальные данные о функциях ауксина в корне;
Разработка математических моделей, описывающих транспорт ауксина в корне растения с различной детализацией;
Анализ и математическое моделирование механизмов формирования и сохранения в развитии максимума концентрации ауксина в кончике корня;
Анализ и математическое моделирование механизмов формирования максимумов концентрации ауксина в базальной меристеме и гипокотиле, предетерминирующих развитие боковых и придаточных корней, соотвественно.
Научная новизна
Впервые разработана онтология развития корневой системы и база данных PGNS-root по экспрессии генов различных видов растений в корне (в норме, в мутантных и трансгенных растениях и при разных условиях выращивания) и фенотипическим аномалиям развития корневых систем при изменениях в экспрессии. Впервые в рамках единой интернет-доступной базы данных PGNS-root интегрированы экспериментальные данные о функциях ауксина в корне на молекулярном и клеточном уровнях, опубликованные в 78 статьях.
На основе анализа данных, интегрированных в базе PGNS-root, впервые предложена гипотеза о морфогенетическом механизме самоорганизации паттерна распределения ауксина в меристеме корня. Гипотеза постулирует, что молекулярно-генетические механизмы активации и ингибирования ауксином экспрессии белков-транспортеров PIN1 достаточны для формирования и поддержания необходимого паттерна распределения ауксина в корне.
Впервые разработана математическая модель, использующая гипотезу о морфогенетическом механизме распределения ауксина вдоль продольной оси корня. В экспериментах in silico получено ее теоретическое обоснование: показано формирование и сохранение паттерна распределения ауксина в соответствии с экспериментальными данными в изначально неспециализированной ткани.
Впервые предложена модель, объясняющая механизм формирования и регуляции паттернов закладки боковых корней растения. In silico показано, что дополнительные максимумы концентрации ауксина возникают в средней части корня в ответ на повышение потока ауксина из побега.
Предложена гипотеза о ключевой роли механизмов автоингибирования транспорта ауксина в формировании разных типов корневой системы (стержневой и мочковатой).
Положения, выносимые на защиту
Разработанная онтология процессов развития корневой системы растений и база данных PGNS-root по экспрессии генов и фенотипическим аномалиям в корневых системах различных видов растений может быть использована как средство унифицированной классификации экспериментальных данных по генетике развития корней растений и их систематического анализа.
В основе механизма самоорганизации экспериментально наблюдаемого паттерна распределения ауксина в меристеме корня лежат молекулярно-генетические механизмы регуляции ауксином своего активного транспорта.
В основе механизма формирования и регуляции паттернов закладки боковых корней растения могут лежать процессы регуляции экспрессии транспортеров ауксина, опосоредующих его акропетальныи поток.
4. Различия механизмов регуляции ингибирования транспорта ауксина в различных видах растений могут лежать в основе формирования разных типов корневых систем (мочковатых или стержневых).
Теоретическая и практическая ценность работы
Теоретическая ценность результатов, полученных в диссертационной работе состоит в том, что они выявляют новые механизмы регуляции развития корневой системы растения под действием ауксина. Так, предложены и проверены в математических моделях гипотезы о морфогенетических механизмах (1) самоорганизации паттерна распределения ауксина в мерстеме корне; (2) формирования и регуляции паттернов закладки боковых корней растения; (3) распределения ауксина в разных видах растений и его влияния на развитие корневых систем. Эти гипотезы, теоретически подтвержденные экспериментами in silico, представляют собой задел для последующей проверки в экспериментах in vivo.
Математическая модель распределения ауксина вдоль продольной оси растущего корня может быть использована для исследования эффектов различных условий выращивания растения на развитие корневой системы. Численные эксперименты могут быть использованы для проверки различных гипотез о механизмах регуляции развития корня с учетом процессов, происходящих на разных уровнях организации: молекулярно-генетическом, клеточном и тканевом. Разработанная модель может быть использована для исследования развития корневых систем различных растений, выявления общих и специфических механизмов регуляции процесса развития корня, появлявшихся в эволюции.
Практическая ценность разработанной онтологии развития корневой системы и базы данных PGNS-root состоит в том, что они могут быть использованы для систематического анализа данных о паттернах экспрессии генов в развитии корневой системы растений, их изменения в мутантах, трансгенах и при обработке активными веществами и факторами, а также о фенотипических аномалиях развития корня.
Практическая ценность разработанной математической модели транспорта ауксина заключается в том, что она не только обобщает полученные ранее экспериментальные данные о роли ауксина в корнеобразовании, но и представляет их системно, в виде компьютерной программы. Эта программа может быть использована в дальнейшем при решении практических задач, таких как изучение действия активных веществ в различных комбинациях и концентрациях на развитие корневой системы. В модели, в этом случае, могут проводиться предварительные расчеты, в которых будут выявляться оптимальные концентрации, длительность действия и дополнительные условия выращивания для формирования необходимого эффекта.
Полученные данные могут быть использованы в учебных программах по биоинформатике и биологии развития растений.
На данный момент, результаты диссертационной работы используются в лекционном курсе «Системная биология: математическое моделирование генных сетей».
Апробация работы
Материалы настоящей работы были представлены на отчетных сессиях Института цитологии и генетики СО РАН 2006 и 2009 годов, вошли в отчеты по интеграционным проектам СО РАН №107, 119; а также были представлены как основной результат в отчете ИЦиГ по Программе РАН 22. Молекулярная и клеточная биология. Проект 8. от 2009 года. Основные результаты работы были представлены на следующих научных конференциях и семинарах: Российско-Германский форум по Биотехнологии (Новосибирск, 2009); минипрограмма «Morphodynamics in Plants, Animals and Beyond". (Santa-Barbara, USA, 2009; Moscow Conferences on Computational Molecular Biology (Москва, Россия, 2007; 2009 гг); Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных "Ломоносов-2008" (Москва, Россия, 2008); The 6th International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure (BGRS'2008, Novosibirsk, Russia, 2008); GARnet - SEB Symposium of experimental biologists (GARnet'08, Nottingham, UK, 2008); Autumn school for young scientists in system biology (Novosibirsk, Russia, 2008); The Eighth International Conference on System Biology (ICSB'07, Long Beach, California, USA); и другие.
Публикации
По теме диссертации опубликовано: шесть работ в рецензируемых журналах, одна - в рецензируемой коллективной монографии и одна — в учебном пособии по биоинформатике, семнадцать в трудах конференций, в том числе в трех зарубежных. Получен 1 сертификат Роспатента.
Структура работы
Работа состоит из введения, обзора литературы, материалов и методов, результатов работы, заключения, выводов, списка литературы (167 наименования), а также списка используемых в работе сокращений. Материал изложен на 167 страницах, содержит 29 рисунков, 13 таблиц и 2 приложения.
18 Благодарности
Выражаю свою искреннюю благодарность научному руководителю диссертации В.А. Лихошвай. Искренне благодарю Омельянчук Н.А., которая курирует мою работу в течение длительного времени, начиная с дипломной работы в НГУ. Выражаю огромную благодарность Н.А. Колчанову за ценные замечания и предложения, сделанные в ходе плодотворного обсуждения данной работы. Благодарю СИ. Фадеева за оказанную им поддержку в области теоретического анализа модели, оценки наборов параметров модели и консультации по использованию пакета STEP+. Выражаю свою благодарность коллегам Е.М. Залевскому за помощь в создании программных компонент базы данных PGNS-root; И.Р. Акбердину и В.В. Лавреха за плодотворные дискуссии и помощь в освоении методов моделирования; Ф.В. Казанцеву, Д.Н. Горпинченко и К.Д. Безматерных за консультации и поддержку в освоении методик моделирования. Выражаю свою благодарность Эрику Мёлснессу и Гаю Иосифону за помощь в разработке модели с учетом роста и деления клеток, а также полезные замечания и предложения в ходе обсуждения модели распределения ауксина. Благодарю М.П. Пономаренко и С.С. Ибрагимову за ценные указания по улучшению текста диссертации. Отдельное спасибо Т. Бакарян и П.М. Пономаренко за информационную поддержку, а также помощь в переводе результатов работы на английский язык.
Строение апикальной меристемы корня
АМК состоит из меристематической зоны с активно-делящимися клетками, промеристемы, которая содержит стволовые клетки корневого чехлика, покрывающего промеристему. В зависимости от роли АМК в развитой корневой системе различают детерминантный и индетерминантный рост корня (Shishkova et al., 2008). При детерминантном росте АМК утрачивается к определенному моменту в развитии - все ее клетки дифференцируются. При индетерминантном, АМК остается активной до тех пор, пока растение остается живым. АМК различных растений с индетерминантным типом развития корня имеют сходное строение, но различается по размерам.
Рассмотрим более подробно анатомическую структуру АМК модельного растения Arabidopsis thaliana, описанную в работе Dolan et al., 1993. Общая длина АМК арабидопсиса составляет 0.25-0.5 мм, считая от кончика корня. Корневой чехлик разделяют на колумеллу (центральная часть корневого чехлика) и латеральную часть Колумелла обычно состоит из 3-4 слоев крупных клеток, содержащих амилопласты со статолитами, которые определяют реакцию корня на гравитационное поле земли (гравитропизм). Структура латеральной части корневого чехлика, как правило, менее структурирована, чем колумелла, эти клетки важны для организации базипетального потока ауксина (см. ниже). Корневой чехлик слущивается в процессе продвижения корня в почве. Небольшая по размерам промеристема арабидопсиса представляет собой нишу стволовых клеток (Stahl and Simon, 2005), и имеет сложное строение (Рисунок 3). Особое значение для поддержания пула стволовых клеток имеет так называемый центр покоя (ЦП), клетки которого митотически неактивны (период деления больше 200 часов). Вокруг ЦП сосредоточен запас стволовых клеток АМК. Клетки под ЦП - инициалы корневого чехлика, латеральные и верхние клетки от ЦП дают начала радиальному паттерну корня - сосудистому цилиндру, окруженному концентрическими слоями тканей перицикла, эндодермиса и кортекса.
Рисунок 3. Анатомическое строение кончика корня A. thaliana.
Меристематическая зона АМК является функциональным аналогом переходной зоны меристемы побега (Stahl and Simon, 2005), которая представлена быстро делящимися клетками, которые обеспечивают образование и рост новых органов. Профиль митотической активности клеток арабидопсиса вдоль корня имеет вид «колокола» с максимумом, расположенным на расстоянии 10-16 клеток от ЦП (Beemster and Baskin, 2000). Если также принять во внимание делящиеся инициалы корневого чехлика, то получим кривую с двумя максимумами скоростей деления вдоль центральной оси корня (Рисунок 4С).
Структура и программные составляющие PGNS-root
Прототипом PGNS-root являлась БД по генетически-контролируемому развитию A. thaliana — AGNS (Arabidopsis GeneNet Supplementary DataBase), разработанная руководителем моей дипломной работы, Омельянчук Н.А. При создании PGNS-root были использованы метод и формат хранения данных AGNS, которые были адаптированы и расширены для решения задач аннотирования информации о развитии корней различных видов растений. В базе данных PGNS-root были созданы следующие основные разделы: 1. База данных генов, мутаций и трансгенных конструкций (PGNS SD) PGNS SD состоит из трех подразделов, в которых аннотируются данные о генах (PGNS SD gene), мутантах (PGNS SD mutant) и трансгенных конструкциях (PGNS SD transgene). Формат описания данных представлен в таблицах 1-2 приложения 1. Предоставлена возможность аннотирования генов A. thaliana, других растений, а также генов других видов, что иногда необходимо для описания трансгенных конструкций. В случае описания гена другого вида указывается Вид (Species): Alien. Информация о роспределении ауксина в корне также заполняется через «ген» Auxin.
База данных по экспрессии генов (PGNS ED)
В PGNS ED аннотируются данные трех типов: (1) паттерны экспрессии генов в растениях дикого типа; (2) изменение паттернов экспрессии после обработки активными веществами и факторами (действие гормонов, солей, температуры, света и др.); (3) изменение паттернов экспрессии в мутантных или трансгенных растениях. Эти данные заполняются в едином формате (приложение 1, таблица 3). При аннотации данных в PGNS ED используются данные PGNS SD, онтологии развития корневой системы и других терминологических словарей (см. приложение 1). Важной особенностью данных PGNS ED является наличие комментариев с количественными и другими уточняющими данными о паттерне экспрессии гена.
База данных по фенотипам растений (PGNS PD)
В PGNS PD аннотируются данные двух типов: (1) фенотипические аномалии развития корневой системы в мутантных или трансгенньгх растениях, а также (2) фенотипические аномалии в результате обработки активными веществами и факторами. Эти данные заполняются в едином формате (приложение 1, таблица 4) с использованием данных PGNS SD, онтологии развития корневой системы и других терминологических словарей. Аннотатору также предоставлена возможность интеграции важной уточняющей информации или количественных данных о фенотипической аномалии в комментариях к блоку.
Онтология развития корневой системы PGNS-root Онтология развития корневой системы растений PGNS-root состоит из двух словарей:
Контролируемый словарь стадий развития корневой системы; Контролируемый словарь анатомии и морфологии корневой системы.
Словари имеют иерархическую структуру в виде графа, в которой иерархию между терминами определяют отношения типа «является частью» или «является отдельным случаем». Онтология развития корневой системы растений аннотируется в отдельном разделе системы ввода, с указанием синонимов, идентификаторов в международной онтологии растений (РО) и описаний с качественными и количественными данными из публикаций со ссылками (приложение 1, таблица 5). По сравнению с РО, онтология развития корневой системы PGNS существенно шире, и обогащена не только подробным описанием каждого термина, но и новыми терминами, обеспечивающими более детальное аннотирование паттернов экспрессии генов и их изменения в различных условиях. На данный момент в ней содержится информация о 47 стадиях развития и 151 анатомическом элементе.
База данных публикаций (PGNS RD)
В PGNS RD заполняется информация о проаннотированных статьях: авторы, название статьи, ссылка на библиографическую базу данных PubMed (приложение 1, таблица 5).
Дополнительные терминологические словари PGNS-root.
Терминологические словари PGNS-root позволяют каталогизировать данные о результатах экспериментов и проводить их логический анализ. Терминологические системы подключены к полям в PGNS ED и PGNS PD. Выбор терминов является одним из основных элементов аннотирования (см. приложение 1) и определяет единообразие описания. С использованием терминологических систем организована система навигации в данных PGNS-root.
Распределение ауксина в корневой системе в норме
По автоматическому запросу ED1 к базе данных PGNS-root (см. главу 2.3) по «гену» Auxin в растении Arabidopsis thaliana выдается информация о 23 доменах экспрессии ауксина в корневой системе на разных стадиях ее развития. Экспериментальные данные о распределении ауксина в различных статьях представляют собой описания активности DR5 ауксин-чувствительного промотора в трансгенных линиях DR5:GUS, DR5:GFP, DR5:PEH. Согласно работе Пожванова и Медведева, (2008), по паттерну экспрессии репортерного гена DR5 можно с достаточной точностью судить о паттерне распределения ауксина в ткани.
В разных работах экспериментально показано наличие трех основных максимумов концентрации ауксина в корневой системе: 1) в промеристеме АМК; 2) в протоксилемных клетках базальной меристемы и в перицикле зоны дифференцировки корня, в точках инициации боковых корней; 3) в гипокотиле, в точке инициации придаточного корня. Максимум концентрации ауксина в АМК главного корня формируется еще на торпедной стадии зародыша, после прорастания, позиция максимума концентрации ауксина в инициалах корневого чехлика сохраняется в развитии.
В экспериментальных работах существует ряд разногласий в описании паттерна распределения ауксина в АМК. Поэтому был проведен детальный анализ изображений паттернов распределения ауксина в АМК из разных статей (Таблица 6). Графики распределения интенсивности окраски продуктов репортерных генов DR5 вдоль центральной оси корня были получены нами при обработке фотографий с использованием программы Image J (Collins et al., 2007). В таблице 6 приведены условия эксперимента из PGNS-root, а также указана принадлежность распределения к определенному типу. Анализ изображений позволил классифицировать паттерны распределения АМК в корне на два основных типа.
Первый тип (Тип 1) распределения ауксина в кончике корня характеризуется наличием резкого концентрационного градиента от максимума, располагающегося в 4-5 клетке от кончика корня, к последней клетке корня. Этот паттерн распределения ауксина характерен для корней молодых проростков (3-4 дня после прорастания) (№4,7 в Таблица 6) или для боковых корней (№1 в Таблица 6). Второй тип распределения (Тип 2) распространен в проростках старше 5 дней и характеризуется более плавным падением градиента от клетки стволовой клетки корневого чехлика к кончику (№2,3,5,8,9 в Таблица 6). Второй тип паттерна распределения ауксина в корне так же характерен для распределений, выявленных трансгенными конструкциями с GFP (№10,11 в Таблица 6), или растений с длительной обработкой глюкоронидазой (№6).
На основе анализа изображений распределения ауксина в кончике корня, можно сделать вывод, что все они схожи на качественном уровне - имеют максимум концентрации ауксина в 4-5 клетках и градиент концентрации ауксина в сторону кончика корня.
Изменения распределения ауксина при обработке активными веществами и факторами
Автоматический запрос ED2 к PGNS-root по «гену» Auxin, который отвечает на вопрос о том, обработка какими активными веществами и факторами изменяет «экспрессию» ауксина, выдает информацию, которая обобщена ниже:
Эффект обработки НФК:
(1) Смещение распределения ауксина из промеристемы АМК в сторону меристематической зоны наблюдается при обработке НФК (1-5 цМ; 0.5-6 h), при этом концентрация ауксина в колумелле уменьшается;
(2) Повышение концентрации ауксина в эпидермисе меристематической зоны (10 \хМ; 7 d);
(3) уменьшение концентрации ауксина в зачатках боковых корней (5 mM; 2 d) и увеличение концентрации (10 тМ; 12 h).
Обработка экзогенным ауксином приводит к:
(1) увеличению концентрации ауксина в эпидермисе и кортексе меристематической зоны (1 цМ 2,4D; 4 dag);
(2) увеличению уровня ауксина и домена его экспрессии в зачатке бокового корня (10 \iM 2,4-D; 12 h);
(3) увеличению уровня ауксина в АМК без изменения паттерна распределения (10 mM IAA; 4 h);
(4) увеличение концентрации ауксина в дистальной части зоны элонгации (1 mM IAA; 6 h);
(5) длительная обработка большими концентрациями ауксина приводят к повышению концентрации ауксина во всех клетках корня (10 цМ 2,4-D; 4
d).
Похожие диссертации на Компьютерное исследование роли ауксина в молекулярно-генетической регуляции развития корня растений
