Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы. 9
1.1. Генетический контроль развития соцветия у A. thaliana. д
1.2. Молекулярно-генетическое картирование генома растений . 17
1.3. Типы математических моделей в биологии. 23
2. Материалы и методы. 28
2.1. Линии Arabidopsis thaliana, использованные в работе. 28
2.2. Выращивание растений Arabidopsis thaliana. 28
2.3. Метод сканирующей электронной микроскопии. 29
2.4. Морфометрия. 29
2.5. Генетический анализ. 31
2.6. Методы, используемые при проведении молекулярно-генетического -. картирования .
3. Результаты и обсуждение. 33
3.1. Морфологический и генетический анализ мутанта bra. 33
3.1.1. Влияние мутации bractea на развитие побега у A. thaliana. 33
3.1.2. Характер наследования мутации bractea. 40
3.1.3. Локализация гена BRACTEA на классической генетической карте при помощи морфологических маркеров .
3.1.4. Создание молекулярно-генетической карты района хромосомы 4 Arabidopsis thaliana и локализация гена BRACTEA на ней.
3.2. Моделирование развития цветка. 50
3.2.1. Принципы формализации данных для построения генетико-морфологической модели развития побега цветковых растений .
3.2.2. Построение модели генетического контроля определения типа органа цветка.
3.2.3. Построение модели, определяющей положение органов цветка. 91
3.3. Участие гена BRACTEA в регуляции развития цветоноса у Arabidopsis thaliana.
3.3.1. Взаимодействие генов BRACTEA, LEAFYnAPETALAl. 98
3.3.2. Взаимодействие генов BRACTEA и TERMINAL FLOWER1. 107
3.3.3. Роль гена BRACTEA при формировании соцветия у A. thaliana.
Заключение. 120
Выводы. 123
Список публикаций по теме диссертации. 124
Список литературы. 127
- Молекулярно-генетическое картирование генома растений
- Методы, используемые при проведении молекулярно-генетического -. картирования
- Локализация гена BRACTEA на классической генетической карте при помощи морфологических маркеров
- Принципы формализации данных для построения генетико-морфологической модели развития побега цветковых растений
Введение к работе
В настоящее время генетика развития растений является одной из наиболее быстро развивающихся областей биологии. Это комплексная дисциплина, которая включает в себя не только генетический, но и такие виды анализа как морфологический, биохимический и молекулярно-генетический. Одним из новых направлений генетики развития является изучение генов, изменение функционирования которых могло приводить к появлению признаков обеспечивающих образование новых таксономических групп.
Важнейшими процессами в онтогенезе растений являются процессы развития цветоноса и цветка. Наиболее активно изучение генетического контроля этих процессов проводится на модельном объекте - Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. Это растение принадлежит к семейству Cruciferae, характерным признаком которого является структура цветоноса без терминального цветка и прицветных листьев (брактей), то есть в виде открытой эбрактеозной кисти. Считается, что редукция прицветных листьев и терминального цветка произошла у единого предка, что привело к формированию такой структуры соцветия у подавляющего числа видов этого семейства.
Недавно с помощью химического мутагенеза на кафедре генетики МГУ был выделен уникальный мутант, характеризующийся структурой цветоноса в виде закрытой брактеозной кисти, то есть у мутантных растений нарушено формирование одного из основных признаков структуры соцветия характерного для данного семейства. Мутант был назван bractea (bra) (от лат. bractea -прицветный лист). Генетический и морфологический анализ мутанта bra, а также изучение взаимодействия гена BRA с другими генами, контролирующими развитие соцветия у A. thaliana, позволяет не только определить роль гена BRA в регуляции развития структуры соцветия, но и сделать ряд предположений о механизмах формирования открытого эбрактеозного соцветия у предковых форм семейства Cruciferae.
При анализе морфологии одиночных и двойных мутантов, который проводиться для изучения генетического контроля развития растений, одной из важнейших задач является точное описание различных структур. Эта задача возникает в связи с необходимостью точного определения функций гена (генов), невозможного без
5 детального понимания структуры признака (признаков), развитие которого он контролирует. Такой анализ морфологии возможен только при наличии системы формального описания, которая будет учитывать особенности строения и генетического контроля развития растения, а описание любого мутанта осуществляется по единым критериям для всех мутантов. Благодаря стандартизованному описанию данные по генетическому контролю развития, представленные в формальной системе, могут служить основой для построения математических моделей генетического контроля развития организма. Подобная модель может служить основой для проверки адекватности предложенной системы описания и при наличии хороших прогностических свойств может позволить значительно сократить временные и материальные затраты при изучении новых генов, так как большая часть анализа будет проходить в компьютерной модельной системе, имитирующей функционирование организма.
Следует отметить, что даже без создания комплексной модели базовые принципы, необходимые для ее разработки, могут быть использованы для более точного анализа морфологии растений и изучения генетического контроля формирования различных структур. При этом разработка принципов формального описания должна осуществляться параллельно исследованию генетической регуляции развития и с учетом данных, полученных в этих исследованиях.
Основные цели диссертационной работы: морфологическое и генетическое изучение мутанта bra для определения роли гена BRA в регуляции типа соцветия у A. thaliana\ разработка принципов формального описания структуры побега и генетического контроля развития растений.
Для достижения поставленных целей решались следующие задачи: морфологический и генетический анализ мутанта bra; локализация гена BRA на классической и молекулярно-генетической карте А. thaliana; разработка формального подхода к описанию побега высших растений для создания имитационной модели развития; сравнение предсказаний, осуществляемых моделью с реальными структурами, для проверки адекватности предложенного подхода;
5) изучение взаимодействия гена BRA с генами, контролирующими тип соцветия у A. thaliana, с применением разработанных методов формального подхода к описанию структуры растения.
Новизна диссертационной работы. Впервые проведен морфологический и генетический анализ мутанта bractea, который позволил уточнить пути генетического контроля развития структуры соцветия у A. thaliana. Показано, что ген BRA контролирует формирование открытого эбрактеозного соцветия у А. thaliana. Определена локализация гена BRA на физической карте A. thaliana.
Установлено, что необходимыми и достаточными условиями для формирования терминального цветка являются: наличие развитого листа в узле, предваряющем терминальный цветок, и определенный уровень экспрессии генов, ответственных за формирование цветка. То есть, показана невозможность формирования закрытого эбрактеозного соцветия.
Впервые предложен принцип формализации генетических и морфологических данных по развитию побега у цветковых растений. На основании разработанного подхода создана база данных по развитию цветка у A. thaliana. Правильность подхода подтверждена анализом математических моделей, разработанных на основании этой базы.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в возможном использовании предложенных принципов формального описания растений для создания комплексной имитационной модели развития цветковых растений. Кроме этого, разработанные принципы позволяют производить более корректное выделение признаков при описании растений в процессе проведения генетического анализа.
Благодаря изучению мутанта bra показана сопряженность признаков наличия брактей в соцветии и развития терминального цветка. Обнаруженный конструкционный запрет на формирование закрытого эбрактеозного соцветия является существенным при анализе соцветий многих видов растений.
Молекулярно-генетическое картирование генома растений
Одним из важнейших этапов исследования генов является их клонирование. Необходимым этапом позиционного клонирования генов, которое наиболее часто применяется у растений для генов с известной функцией на организменном уровне, является определение положения этого гена на хромосоме. Арсенал методов генетического картирования растений постоянно увеличивается. Первые генетические карты были созданы на основе использования маркеров, выявляемых на уровне целого растения по изменению морфологии или окраски. В 70-е годы в генетическом картировании начали использовать белковые маркеры, отражающие полиморфизм изоферментов и запасных белков семян. В отличие от большинства видимых маркеров, белковые маркеры характеризуются большим разнообразием альтернативных аллельных состояний одного и того же гена и кодоминантным характером наследования, что значительно увеличивает разрешающую способность генетического картирования. Недостатком этого метода является высокий уровень полиморфизма белков, не связанный с изменениями их аминокислотной последовательности (посттранскрипционные и посттрансляционные события, взаимодействие субъединиц, кодируемых разными генами и пр.), а также зависимость проявления изоформ от физиологического состояния растений (стадии онтогенеза, специфики исследуемого органа, влияния условий роста и т.д.).
В конце 80-х годов для картирования генома растений впервые стали применять ДНК-маркеры, которые имеют все преимущества, свойственные белковым маркерам (кодоминантность и высокий уровень полиморфизма), но лишены присущих им недостатков. Проявление ДНК-маркеров не зависит от условий окружающей среды, стадии онтогенеза, источника ДНК. Более того, в отличие от морфологических и белковых маркеров, для ДНК-маркеров характерно отсутствие взаимодействий, что делает возможным проведение анализа по многим ДНК-маркерам на одной и той же популяции растений F2 поколения. Это позволяет экономить время и занимаемую растениями площадь, значительно увеличивает разрешающую способность картирования. И, наконец,
число ДНК-маркеров, которые могут быть созданы для любого конкретного вида, на 2-3 порядка выше числа морфологических и белковых маркеров. Эти достоинства ДНК-маркеров позволяют создавать насыщенные молекулярно- генетические карты за короткий период времени. Так, например, к 1987 году (за несколько десятков лет) на генетическую карту Arabidopsis thaliana было нанесено 90 морфологических маркеров (Koornneef et al., 1987), а за 4 месяца работы двух исследователей в 1992 г. было локализовано 225 ДНК-маркеров (Reiter et al., 1992). Создание насыщенных молекулярно-генетических карт дает
представление об особенностях организации геномов растений и позволяет значительно ускорять как генетический анализ, так и селекционный процесс. С помощью ДНК-маркеров удалось картировать многие гены, кодирующие важнейшие хозяйственные признаки (Meskem et al., 1995; Meyers et al., 1998; Игнатов и др., 2000).
Знание точного положения гена на молекулярно-генетической карте открывает возможности для его позиционного клонирования (клонирования методом «прогулки по хромосоме»). Этот метод имеет важное достоинство: он позволяет клонировать гены, идентифицированные на основе мутантного фенотипа, т.е. гены, функция которых на уровне целого растения уже известна. Эффективность данного метода клонирования генов находится в прямой зависимости от наличия насыщенных молекулярно-генетических карт и увеличивается с прогрессом в области создания физических карт и секвенирования геномов растений (Martin et al., 1993; Tanksley et al., 1995).
В настоящее время для картирования используют несколько разных типов молекулярных маркеров (Ежова и др., 2002). В зависимости от методов получения их можно подразделить на три основных группы: маркеры, полученные с помощью рестриктаз (рестрикционные маркеры); маркеры полученные с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР); маркеры смешанного типа. Далее будут рассмотрены широко используемые в генетике растений типы молекулярных маркеров.
Маркеры RFLP (restriction fragment length poIymorphisms),miH ПДРФ полиморфизм длин рестрикционных фрагментов), основаны на выявлении у астений разных линий, сортов, рас полиморфизма по длине гомологичных естрикционных фрагментов ДНК, обусловленных различиями по сайтам естрикции. У гибридов между полиморфными линиями наблюдаются рагменты ДНК от обеих родительских форм, то есть RFLP-маркеры являются кодоминантными генетическими маркерами, удобными для проведения генетического анализа. Недостатками метода являются необходимость наличия большого количества ДНК для проведения анализа и трудоемкий способ фиксации результатов при помощи блот-гибридизации по Саузерну, который включает получение зонда к нужному фрагменту рестрикции и авторадиографию.
RAPD-маркеры (randomly amplified polymorphic DNA), случайно амплифицированные полиморфные участки ДНК. RAPD-маркеры выявляют у растений разных линий, сортов, рас полиморфизм продуктов амплификации, полученных при использовании одного короткого праймера. Преимущество данного метода по сравнению с RFLP заключается в использовании меньшего количества ДНК и в простоте технического исполнения (сокращение количества этапов, отсутствие необходимости получать зонды и работать с радиоактивной меткой). В то же время RAPD метод имеет и существенные недостатки:
1) многие праймеры дают разные продукты амплификации, которые могут иметь одинаковую электрофоретическую подвижность, и, следовательно, их трудно различить при использовании обычной техники электрофореза; 2) малейшие загрязнения препарата ДНК могут вызвать многочисленные артефакты, связанные с амплификацией чужеродной ДНК; 3) низкая воспроизводимость результатов (зависимость от условий ПЦР); 4) RAPD-маркеры наследуются как доминантные, то есть фрагменты амплификации ДНК из гетерозигот не тличаются от фрагментов одной из родительских форм. тот недостаток является особенно существенным в генетическом анализе, ак как при анализе расщеплений выявляются не все классы, что существенно граничивает получаемую информацию. Лишь изредка наблюдается одоминантность RAPD-маркеров, которая связана с перемещением или появлением нового участка связывания с праймером, чаще всего в результате нверсий и делений.
Методы, используемые при проведении молекулярно-генетического -. картирования
В норме A. thaliana образует соцветие в виде открытой эбрактеозной кисти. При нарушении функционирования гена BRA происходит развитие соцветия в виде закрытой брактеозной кисти (Ежова, Пенин, 2000). Таким образом, у мутанта происходит развитие двух новых структур - брактей и терминального цветка. Брактей могут иметь разнообразную форму: округлых листочков, филаментов, а иногда небольших бугорков, заметных лишь под микроскопом (рис. 6). В целом, брактей сопровождают все формирующиеся у мутанта bra цветки. При инициации цветения вначале происходит образование брактей, а затем в ее пазухе образуется цветок (рис. 7). Латеральные цветки мутанта bra имеют тот же состав и положение органов, что и цветки растений дикого типа: две пары чашелистиков, четыре лепестка, две коротких тычинки, которые иногда редуцируются, четыре длинных тычинки и два плодолистика (рис. 8); в то же время наблюдаются отклонения в структуре самих органов. Наиболее существенные отличия возникают в структуре гинецея: недоразвитие перегородки между плодолистиками, отсутствуют рыльце и столбик (рис. 9); у тычинок пыльники не раскрываются. Вследствие этого гомозиготные по мутантному аллелю растения стерильны.
Цветоносы мутанта более чем в 90 % случаев терминализуются цветком (рис. 10). Цветок считается терминальным, если находится в апикальном положении и не сопровождается брактеей. В остальных случаях происходит прекращение пролиферативной активности апикальной меристемы. Иногда терминальный цветок имеет неполную структуру (рис. 11), но в большинстве случаев образует хорошо развитый околоцветник (рис. 12). При сохранении положения органов латеральных цветков мутанта, близкой к структуре цветков дикого типа, у терминального цветка наблюдается ряд существенных изменений. Число органов терминального цветка непостоянно; наиболее часто формируется: чашелистиков - 3-5, тычинок - 2-4, плодолистиков -1. Число лепестков колеблется от 0 у большинства цветков (более 50%), до 4-5 у некоторых (менее 5%). Симметрия терминального цветка близка к пентамерной, в отличие от тетрамерных латеральных цветков. Отличие симметрии терминального цветка от латеральных является распространенным для растений, у которых структура цветков отличается от характерной для двудольных пентамерной структуры. Так, терминальный цветок у мутанта сеп у A. majus (Coen and Nugent, 1994) является актиноморфным, в отличие от зигоморфных латеральных цветков. На основании фенотипа мутанта можно предположить, что одной из функций изучаемого гена является редукция брактей и терминального цветка. Следует отметить, что и брактеи, и органы терминального цветка являются преобразованными филломами, расположенными на одной оси. Таким образом, эту функцию гена можно определить как редукцию филломов на оси соцветия.
Поскольку у мутанта происходит прекращение развития главной оси соцветия, сопряженная с образованием терминального цветка, еще одной функцией гена является поддержание способности апикальной меристемы (AM) соцветия к пролиферации. У мутанта наблюдается изменение скорости развития по сравнению с растениями дикого типа: 1) мутантные растения зацветают на 10-14 дней позже растений дикого типа; 2) у мутанта происходит сокращение количества вегетативных узлов (табл. 1, рис. 13) цветоноса по сравнению с растениями дикого типа. То есть мутантное растение проходит меньшее количество циклов закладки филломов на оси соцветия перед тем, как программа развития пазушной меристемы переключится с вегетативной на флоральную. При этом у мутанта bra не наблюдается изменения количественных параметров при разных фотопериодах (табл. 1), то есть происходит нарушение реакции на фотопериод. Кроме этого, растения, гомозиготные по мутантному аллелю, имеют ряд других существенных нарушений развития. Высота цветоноса составляет всего 5-7 см (рис. 13), то есть 20-30% от высоты цветоноса растений дикого типа (20-25см). Размер листьев розетки мутанта также в 4-6 раз меньше, чем у дикого типа. Исследование структуры эпидермальных клеток листьев мутанта bra с помощью сканирующей электронной микроскопии показало, что клетки мутантных растений в 5-7 раз меньше клеток растений дикого типа, что и является причиной уменьшения линейных размеров мутанта (рис. 14).
Эпидермальные клетки листьев мутанта bra не имеют характерных для растений дикого типа волнистых антиклинальных стенок и похожи на меристематические летки протодермы. Происходит недоразвитее трихом (рис. 15). Листья розетки и теблевые листья имеют асимметричную форму. Кроме того, их основание азрастается в виде шпор, состоящих из крупных, рыхлых и прозрачных клеток Таким образом, у мутанта происходят следующие нарушения развития: 1) Развитие филломов на оси соцветия, приводящее к формированию брактей и рганов околоцветника терминального цветка. 2) Усиление активности генов флорального морфогенеза в AM цветоноса, риводящее к закрытию соцветия при формировании терминального цветка. 3) Нарушение развития цветков, приводящее к их стерильности. 4) Изменение скорости развития по сравнению с растениями дикого типа. 5) Нарушение ответа на фотопериод. 6) Различные нарушения при делении и дифференцировке клеток. Ускорение времени перехода к цветению на фоне потери реакции на фотопериод свидетельствует о возможном участии гена в передаче светового сигнала. Замедление развития растения при нарушении контроля клеточных делений и дифференцировки, приводящих к изменению линейных размеров растения и развитию брактей, может свидетельствовать о том, что действие гена связано с регуляцией клеточных делений.
Локализация гена BRACTEA на классической генетической карте при помощи морфологических маркеров
В морфологии принято строить ряды переходных форм органов, которые рассматривают как эволюционные ряды (Тахтаджан, 1964; Cronquist, 1983) и/или как структурные (Гатцук, 1974, 1994; Кузнецова, 1985, 1986). Такие ряды построены для цветков, их частей, структуры филлома и т. д. Однако для многих понятий (например, для цветка) нет устоявшихся определений (Тихомиров, 1986). Вследствие этого морфологи строят ряды структур со сходным строением и одинаковыми функциями, но, вероятно, имеющие различное происхождение. Вопрос о возможности применения этих рядов для формального описания структуры растений остается открытым.
Другой комплекс данных по структуре растений получен в результате изучения генетического контроля морфогенеза растений (Coen, Meyerowitz, 1991; Bradley et al., 1997; Pidkowich et al., 1999). Но модели, построенные на основании молекулярно-генетических данных, до сих пор не сопоставлены со структурными рядами. Как было отмечено выше, без согласования этих данных невозможно построение целостной модели развития.
Двумя основными принципами организации растения являются: 1) модульное троение; 2) способность к открытому росту - многократному повторению модулей Хохряков, 1997; Нотов, 1999). Для подавляющего большинства цветковых астений модуль состоит из междоузлия, филлома и меристемы в пазухе этого иллома (рис.21). юбой побег растения можно представить как совокупность элементарных одулей (Гатцук, 1994), каждый из которых имеет определенную программу азвития и характеризуется структурой и положением. Эта программа зависит от тапа морфогенеза. Так, например, у модельного генетического объекта Arabidopsis
thaliana (L.) Heynh. на ювенильной стадии развития развиваются модули, ормирующие розетку. Они состоят из филлома, который образует вегетативный ист, укороченного междоузлия и способных к активации пазушных меристем рис. 21). При формировании участка цветоноса, образующего в качестве осей ледующего порядка паракладии, структура модуля изменяется за счет удлинения еждоузлия. После индукции цветения в модулях, составляющих цветонос, илломы редуцируются, пазушная меристема активируется (Schultz, Haugh, 1993), ри этом происходит формирование типичного для A. thaliana соцветия в виде
эбрактеозной кисти. Цветки - видоизмененные побеги - также можно представить ак совокупность модулей с филломами, преобразованными в чашелистики, епестки, тычинки или плодолистики. При этом пазушные меристемы не активны, междоузлия укорочены или редуцированы - органы располагаются в кругах (рис.21).
Видоизменяя и/или редуцируя различные составляющие модуля, можно конструировать и большинство известных структур побегов цветковых растений. роцессы морфогенеза растений в настоящее время активно изучаются с помощью енетических подходов. Данные, полученные на различных модельных объектах прежде всего, на A. thaliana и A. majus), основаны на изучении морфологии утантов и описывают видоизменения цветков. Однако эту же информацию можно ормализовать более глубоко, рассматривая действие генов с точки зрения реобразования отдельных деталей модулей (табл. 7). Таким образом, модульное троение и способность к открытому росту являются той основой, которая озволяет объединить данные по генетике, морфологии и другим дисциплинам.
Рассмотрим более подробно генетические механизмы преобразования структурных астей модулей и открытый рост у модельных объектов.
Многократное повторение модулей происходит благодаря деятельности апикальной меристемы (AM) побега (Лотова, 1977; Лотова 2000). У AM можно наблюдать три основных состояния: вегетативный рост, остановку развития вследствие старения меристемы или остановку развития вследствие образования цветка. В последнем случае остановка роста происходит в результате разметки всей AM на органы цветка.
У A. majus открытый рост AM обеспечивается функционированием гена CENTRORADIALIS (CEN). Мутация в этом гене приводит к превращению апикальной меристемы цветоноса во флоральную (Carpenter, Соеп, 1990), т.е. происходит развитие терминального цветка. Гомологом этого гена, обеспечивающего развитие апикальной меристемы, у A. thaliana является ген TERMINAL FLOWER1 (TFL1) (Haughn, Sommerville, 1988; Shannon, Meeks-Wagner, 1993). У мутантов tfll формируется терминальная группа, состоящая из нескольких слитых вместе аномальных цветков. Показано, что гены TFL1 и CEN отвечают за супрессию генов, обеспечивающих переход к формированию цветка. Ортологи генов TFL1 и CEN обнаружены и у других объектов. Например, у табака Nicotiana
При образовании цветка происходит прекращение открытого роста оси. Ключевую роль в формировании цветка у A. ihaliana играет антагонист гена TFL1 -ген LEAFY (LFY) (Welgel 1992; Huala, Sussex, 1992; Blazquez et al., 1997). У мутантов Ijy вместо цветков формируются боковые побеги в пазухах стеблевых листьев. Предполагается, что фактором, который обеспечивает превращение осей второго порядка в цветки, является достижение определенного уровня экспрессии гена LFY (табл. 7). Ортологи гена LFY обнаружены у многих видов растений: у А. majus - ген FLO (Coen et al., 1990), у табака - гены NFL1 и NFL2 (Kelly et al., 1995), у петунии Petunia hybrida - ген ALF (Souer et al., 1998), у гороха - ген UNI (Hofer et al., 1997), у Eucalyptus globules - ген ELF I (Southerton et al., 1998), у томата Lycopersicon esculentum -ген FALSIFLORA (Molinero-Rosales et al., 1999) и др.
Показано, что ген LFY является положительным регулятором генов, ответственных за образование органов цветка (Schultz, Hauhn, 1993), в том числе и гена AGAMOUS (AG), отвечающего за прекращение открытого роста (Mizukami, Ma, 1997). После превращения меристемы во флоральную ген AG обеспечивает разметку всей массы меристематических клеток для формирования плодолистиков и тем самым запрещает ее пролиферацию. У мутанта ag рост флоральной меристемы не органичен: на месте тычинок и плодолистиков развиваются лепестки и чашелистики, и структура повторяется четыре-пять раз (до 18 кругов органов) (Sieburth et al., 1995).
Принципы формализации данных для построения генетико-морфологической модели развития побега цветковых растений
Пазушная меристема. У A. thaliana в модулях, образующих цветок, пазушные меристемы обычно неактивны. Однако известен ряд генов, нарушения работы которых приводят к их активации, например, APETALA1 (API) и CAULIFLOWER (CAL) (Shannon, Meeks-Wagner, 1993; Liljegrena et al., 1999). При мутации в гене API наблюдаются принципиальные изменения структуры соцветия у A. thaliana: развиваются прицветнички (в норме их нет) и формируются цветки следующего порядка в их пазухах. С точки зрения морфологии образуется новый тип соцветия - тирс или кисть (рис. 23) — в зависимости от степени насыщенности латеральных групп. Похожие по структуре соцветия в норме встречаются у многих видов растений (например, у Menyanthes trifoliata L.). У других видов (таких, как Viscaria vulg aris Ber nh. и Glechoma hed eracea L .) наблюдаются соцветия обоих типов. Мутация в гене CAL усиливает проявление мутации API (Bowman et al., 1993).
В морфологии достаточно хорошо описаны случаи, когда зона листьев с неактивными пазухами предваряет терминальный цветок (Кузнецова и др., 1992). Это означает, что подавление развития пазушных меристем происходит ниже по оси, чем преобразование филломов в органы цветка. Таким образом, можно предположить, что дифференциальная экспрессия генов, подобных API, определяет наблюдаемые во многих семействах, родах и отдельных видах переходы между кистью и тирсом (рис. 23).
Если подавление развития пазушных меристем происходит достаточно рано, то формируется кисть (неразветвленная структура). В случае, когда этот процесс задерживается, пазухи прицветничков успевают активизироваться и получаетсятирс или кисть (разветвленная структура). Если структура соцветия зависит от иенения экспрессии единичных генов, то переходы от кисти к тирсу и обратнообратимы и должны осуществляться сравнительно легко. Действительно, во многих емействах можно наблюдать оба типа соцветий (рис. 23) (Кузнецова и др., 1992).
При этом, структурные различия возможны на уровне родов, видов и даже
Междоузлие. У A. thaliana можно выделить три основных качественных состояния длины междоузлий: укороченные розетки, нормальные у цветоноса и почти полностью укороченные или редуцированные у цветка. Генетический контроль длины междоузлия остается малоизученным в настоящее время. На длину междоузлия оказывают влияние такие гены, как ELF, NA, ART, EAR/FRI. Примутации по первому гену происходит более ранний переход к цветению, и розетка неазвивается (Zagotta et al.,1992).
При доминантной мутации гена NA междоузлия цветоноса сильно укорачиваются. Предполагается, что ген NA способствует формированию розетки, ограничивая деление клеток апикальной меристемы и растяжение клеток междоузлий (Ежова и др., 2002). В случае сочетания двух доминантных генов ART и EAR/FRI происходит характерное для некоторых поздноцветущих рас развитие воздушных розеток (Grbic, Bleecker, 1996).
Факторы, определяющие положение элементарного модуля.
Кроме структуры, вторым параметром, характеризующим элементарный модуль, является его положение относительно других модулей -листорасположение.
Основные закономерности листорасположения (филлотаксиса) были выявлены достаточно давно, и была разработана соответствующая терминология для их описания (см. напр. обзоры Callos, Medford, 1994; Уоринг, Филипс, 1984). Например, было введено понятие угла расхождения (угла дивергенции) между органами. Если расположение листьев проецировать на плоскость методом диаграмм (Eichler, 1875), угол дивергенции будет соответствовать углу между радиусами, проведенными от центра побега до середины листьев.
В зависимости от числа листьев, прикрепленных к одному узлу (п), различают два основных типа листорасположения: очередное (п=1) и декуссатное (п 2). Иногда различают супротивное (п=2) и мутовчатое листорасположение (п 3). Супротивное листорасположение характеризуется наличием в узле 2 листьев — одного напротив другого. Угол расхождения между ними составляет 180, или 1/2 окружности стебля. При мутовчатом листорасположении от узла отходят более 2 листьев, углы расхождения между ними будут равны 360/п, где п — число листьев в мутовке. Например, в мутовке из 3 листьев угол расхождения составляет 120, или 1/3 окружности стебля. Декуссатное расположение органов типично для цветков многих растений. Отметим, что при декуссатном филлотаксисе листья следующей мутовки лежат между листьями нижележащей (то есть наблюдается чередование органов в соседних мутовках). Все эти особенности позволили Эйхлеру (Eichler, 1875) разработать методы описания диаграммцветков, объединяя органы в круги (мутовки) и пользуясь принципом чередованияорганов в соседних кругах.
В вегетативной сфере достаточно распространено очередное, или спиральное листорасположение, при котором каждый узел имеет только один лист (п=1). При таком листорасположении выше на стебле обычно можно отыскать лист, расположенный строго над тем листом, с которого начат отсчет. Для характеристики угла дивергенции в таких системах принято подсчитывать число оборотов спирали и число органов, находящихся на отрезке стебля от начального листа до того, который оказался строго над ним. Угол дивергенции вычисляется по формуле а=360 х к/1, где к - число оборотов спирали, а 1 - число листьев. Эмпирически установлено, что во многих случаях характеризующие филлотаксис числа, можно получить исходя из ряда чисел Фибоначчи: 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21 и т.д., (каждый из членов ряда получается сложением двух предыдущих). Таким образом, можно получить следующие дроби, характеризующие филлотаксис: 1/2, 1/3, 2/5, 3/8, 5/13 и т.д. Числитель дроби характеризует количество оборотов спирали между расположенными друг над другом листьями; знаменатель — количество листьев между ними.
Моделирование процессов, приводящих к расположению листьев под определенными углами друг с другом, привлекало и привлекает многих исследователей (Snow, Snow, 1931; Richards, 1951; Young 1978; и др.). Наиболее продуктивными идеями, объясняющими возникновение примордиев листьев в определенных точках пространства, оказались теория подавления и теория доступного пространства. Обе теории постулируют, что место положения будущего примордия детерминировано расположением уже существующих примордиев.
По теории доступного пространства, предложенной Гофмейстером в 1865 г. (Callos, Medford, 1994) новый примордий листа может возникнуть только при наличии определенного минимального пространства между уже существующими примордиями и центром апекса.
