Спецкурс «Рост и развитие растений»

Спецкурс «Рост и развитие растений»
Курс обеспечивает интенсивный обзор тем по физиологии роста и развития растений,
сосредотачиваясь
на
геномных,
аналитических,
вычислительных
и
других
высоко-
информативных современных подходах, необходимых для понимания биологии развития
растений. Курс дает представление о генетических, молекулярных и биохимических
механизмах, определяющих рост и развитие растений, включая механизмы спецификации
клеток, клеточную организацию, морфогенез и формирование тканей и органов. Основное
внимание уделяется новым данным, полученных на модельных организмах, таких как
Arabidopsis, кукуруза и рис, так же как и на множестве других растений. Курс также
обеспечивает введение в текущие методы, используемые в фундаментальной и прикладной
биологии растений. Курс разработан для тех, кто хочет работать с растениями, используя
последние молекулярные, геномные, протеомные и вычислительные технологии.
Программа
Общие закономерности и особенности роста и развития растений. Определение
понятий роста и развития растений. Рост растений: его особенности, свойства (ритмичность,
корреляция, полярность, регенерация), основные характеристики (критерии роста, ростовые
кривые, определение скорости роста). Онтогенез, жизненный цикл и чередование поколений у
покрытосеменных растений: формирование и развитие гаметофита и спорофита. Этапы роста
растений и молекулярные механизмы, контролирующие их прохождение. Ритмы роста
растений. Эндогенные и экзогенные ритмы. Покой относительный, вынужденный и
органический. Способы прерывания покоя: стратификация, скарификация и химические агенты.
Фазы роста клеток и органов. Фитогормоны как ключевые факторы, контролирующие рост и
развитие растений. Общие принципы рецепции и передачи сигнала, и последующей реализации
генетической информации.
Фитогормональная регуляция роста и развития растений. Классические (ауксины,
цитокинины, гиббереллины, этилен, абсцизовая кислота) и новые (брассиностероиды,
стриголактоны, салициловая кислота, жасмоновая кислота) фитогормоны растений и их роль в
процессах роста и развития растений. Биосинтез фитогормонов. Методы исследования путей
биосинтеза. Обратимая и необратимая инактивация фитогормонов. Внутритканевая и
внутриклеточная локализация фитогормонов. Механизмы транспорта фитогормонов. Рецепция
фитогормонов и молекулярные механизмы передачи гормонального сигнала. Методы
идентификации сигнальных путей. Транскрипционные и не-геномные гормональные ответы.
Дифференциальная активация генов гормонами. Общий механизм молекулярного действия
ряда фитогормонов. Взаимное и перекрестное действие фитогормонов, антагонизм. Тропизмы
растений. Роль гормональных факторов в движении растений. Представления Холодного Н. Г. о
механизме геотропической реакции и их современное развитие. Соотношение гормональноингибиторных систем – основа ритмичности ростового процесса. Функция фитогормонов и
ингибиторов на отдельных этапах онтогенеза, их роль в цито- и гистогенезе, в регуляции
метаболизма клетки и растения. Гормональные и метаболические аспекты ризогенеза и
побегообразования. Фитогормоны и стресс. Ретарданты и другие синтетические регуляторы
роста растений. Применение регуляторов роста в растениеводстве. Коммерческое применение
фитогормонов для регуляции роста и развития растений. Применение фитогормонов для
решения задач биотехнологии.
Клеточные основы роста и развития растений. Клеточные процессы и молекулярные
механизмы, обеспечивающие рост и развитие растений. Особенности деления клеток растений,
лежащие в основе морфогенеза и развития. Клеточный цикл, его этапы и молекулярные
механизмы регуляции его прохождения. Особенности митотического цикла клеток растений.
Деление растительной клетки, формирование фрагмопласта и клеточной стенки. Фаза роста
клеток растяжением. Факторы, определяющие переход клеток от деления к растяжению.
Механизмы увеличения объема клетки и роста клеточных стенок. Роль активных форм
кислорода в росте растяжением и концевом типе роста растений. Субклеточная локализация и
механизм образования активных форм кислорода. Ультраструктурные и биохимические
особенности растягивающихся клеток. Фаза дифференциации клеток. Регуляция процессов
дифференциации. Относительная обратимость роста клеток. Тотипотентность растительных
клеток. Дедифференциация. Детерминация. Полиплодия, политения и
амплификация.
Эндоредупликация. Старение клеток. Особенности обмена веществ стареющих клеток.
Структурные изменения. Обратимость старения. Гипотеза пусковых механизмов старения.
Механизмы развития растений. Развитие и формирование первичной оси полярности
(на примере фукуса и арабидопсис), роль полярного транспорта ауксина в зародыше.
Формирование радиальной оси полярности: межклеточные коммуникации – роль плазмодесм и
факторов транскрипции (на примере зародыша арабидопсис). Меристемы растений. Роль
гетерогенности апикальных меристем в устойчивости и длительности роста растительных
организмов. Молекулярные механизмы, контролирующие пролиферацию клеток меристем и
обеспечивающие
происхождение
поддержание
клеток
и
стволовых
межклеточная
клеток.
Механизмы
сигнализация.
спецификации
Молекулярные
клеток:
механизмы
формирования радиального паттерна корня. Механизмы закладки и развития листьев.
Филлотаксис. Формирование осей листа. Эпидермальный паттерн: формирование трихом,
корневых волосков и устьичного аппарата.
Механизм действия света на процессы роста и развития растений. Фотоморфогенез,
фототропизм и фотопереиодизм. Фоторецепторы растений: фитохромы, криптохромы и
фототропины. Молекулярные механизмы передачи сигнала и реализации свето-зависимых
программ развития. Биологические часы. Молекулярные механизмы перехода растений от
вегетативного состояния в репродуктивное. Индукция и эвокация цветения, генеративное
развитие. Фотопериодическая индукция цветения. Теория флоригена. Многофакторный
контроль перехода в генеративное состояние. Молекулярные механизмы вернализации.
Гормональная регуляция проявления пола у растений. Участие активных форм кислорода в
гормональной регуляции развития растений, тропизмах и прохождении отдельных этапов
онтогенеза. Покой почек и семян. Физиологические изменения в растении при переходе к
покою. Влияние температуры, света, воды, газового состава атмосферы, элементов
минерального питания на ростовые процессы. Рецепция, внутриклеточная передача сигналов
внешней среды и запуск биохимических процессов. Перспективы управления процессами
развития.
Список рекомендуемой литературы
учебные пособия
1. Strasburger. Зитте, Вайлер, Квадерайт, Брезински, Кернер. Ботаника. т.1. Клеточная
биология. Анатомия. Морфология. М.: Академия, 2007. 368 с. т.2. Физиология растений.
М.: Академия, 2008. 496 с.
2. «Физиология растений» под ред. И.П.Ермакова. М.: «Академия», 2007.
3. Кузнецов Вл.В., Дмитриева Г.А. Физиология растений. М.: Высш.шк., 2006. Гл.7.1.
4. Медведев С.С. Физиология растений. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та. 2004.
5. Полевой В.В., Саламатова Т.С. Физиология роста и развития растений. Л.: ЛГУ. 1991.
монографии и оригинальные статьи
1. Кулаева О.Н., Кузнецов В.В. 2002. Новейшие достижения и перспективы изучения
механизма действия фитогормонов и их участия в сигнальных системах целого растения.
Аналитический обзор РФФИ.
2. Сабинин Д.А. Физиология развития растений. Москва. Наука.1963.194 с
3. Berleth T. & Chatfield S. 2002. Embryogenesis: pattern formation from a single cell. The
Arabidopsis Book , eds. C.R. Somerville and E.M. Meyerowitz, American Society of Plant
Biologists, Rockville, MD.
4. Bishop, G. J., and Koncz, C. 2002. Brassinosteroids and plant steroid hormone signaling. Plant
Cell 14: S97-S110.
5. Corbesier L. & Coupland G. 2006. The quest of florigen: a review of recent progress. J Exp
Botany 57: 3395–3403.
6. Dhonukshe P., Šamaj J., Baluška F., Friml J. 2007. A unifying new model of cytokinesis for the
dividing plant and animal cells. BioEssays 29: 371 – 381.
7. Dong, Bergman 2010. Stomatal patterning and development. Curr Topics Develop Biology 91:
267-297.
8. Guimil S., Dunand C. 2007. Cell growth and differentiation in Arabidopsis epidermal cells.
Journal of Experimental Botany, 58: 3829–3840.
9. Guo H, Ecker JR. 2004. The ethylene signaling pathway:new insights. Cur Opin Plant Biol
7:40–49.
10. Haberer, G. and Kieber, J.J. 2002. Cytokinins. New insights into a classic phytohormone. Plant
Physiol. 128: 354-362.
11. Hadley R., Hable W., Kropf D. 2006. Polarization of the endomembrane system is an early
event in fucoid zygote development. BMC Plant Biology 2006, 6: 5.
12. Harberd, N.P., Belfield, E., and Yasumura, Y. 2009. The angiosperm gibberellin-GID1DELLA growth regulatory mechanism: How an “inhibitor of an inhibitor" enables flexible
response to fluctuating environments. Plant Cell 21: 1328-1339.
13. Inoue S, Takemiya A, Shimazaki K. 2010. Phototropin signaling and stomatal opening as a
model case. Current Opinion in Plant Biology, 13:587–593.
14. Inze D. & De Veylder L. 2006. Cell cycle regulation in plant development. Annu. Rev. Genet.
40:77–105.
15. Jaillais Y, Chory J. 2010. Unraveling the paradoxes of plant hormone signaling integration.
Nature structural & molecular biology 17: 642-645.
16. Jurgens G. 2003. Growing up green: cellular basis of plant development. Mechanisms of
Development 120: 1395–1406.
17. Kami C, Lorrain S, Hornitschek P, Fankhauser C. 2010. Light-regulated plant growth and
development. Current Topics in Developmental Biology. 91: 29-66.
18. Katsir, L., Chung, H.S., Koo, A.J.K., and Howe, G.A. 2008. Jasmonate signaling: a conserved
mechanism of hormone sensing. Curr. Opin. Plant Biol. 11: 428-435.
19. Kieffer, M., Neve, J., and Kepinski, S. 2010. Defining auxin response contexts in plant
development. Current Opinion in Plant Biology 13: 12-20.
20. Kudo, T., Kiba, T., and Sakakibara, H. 2010. Metabolism and long-distance translocation of
cytokinins. J. Integrative Plant Biol. 52: 53-60.
21. Larkin JC, Brown ML, Schiefelbein J. 2003. How do cells know what they wantr to be when
еhey grow up? Lessons from epidermal patterning in Arabidopsis. Annu Rev Plant Biol,
54:403-430.
22. Moglich A, Yang X, Ayers R, Moffat K. 2010. Structure and function of plant photoreceptors
Annu. Rev. Plant Biol. 61:21–47.
23. Oh, E., H. Kang, et al. (2009). Genome-wide analysis of genes targeted by Phytochrome
Interacting Factor 3-Like5 during seed germination in Arabidopsis. Plant Cell 21: 403-419.
24. Raghavendra, A.S., Gonugunta, V.K., Christmann, A., and Grill, E. 2010. ABA perception and
signalling. Trends Plant Sci. 15: 395-401.
25. Ross J. & O’Neill D. 2001. New interactions between classical plant hormones. Trends Plant
Sci 6: 2–4.
26. Scheres B, Benfey PN. 1999. Asymmetric cell division in plants. Annu Rev Plant Physiol Mol
Biol, 50:505-537.
27. Seo M, Nambara E, Giltsu C, Yamaguchi S. 2009. Interaction of light and hormone signals in
germinating seeds. Plant Mol Biol 69:463–472.
28. Stahl Y., Simon R. 2010. Plant primary meristems: shared functions and regulatory. Curr
Opinion Plant Biology 13: 53-58.
29. Sung S. & Amasino RM. 2005. Remembering winter: toward a molecular understanding of
vernalization. Annu Rev Plant Biol 56: 491-508.
30. Tsuchiya, Y., and McCourt, P. 2009. Strigolactones: A new hormone with a past. Curr. Opin.
Plant Biol. 12: 556–561.
31. Uhrig JF, Hulskamp M. 2006. Plant GTPases: regulation of morphogenesis by ROPs and ROS.
Current Biology 16, R211–R213.
32. Wang, X., and Chory, J. 2006. Brassinosteroids regulate dissociation of BKI1, a negative
regulator of BRI1 signaling from the plasma membrane. Science 313:1118-1122
33. Wang G., Fiers M. 2010. CLE peptide signaling during plant development. Protoplasma 240:
33-43.
34. Weiss D. & Ori N. 2007. Mechanisms of cross-talk between gibberellin and other hormones.
Plant Physiology 144: 1240-1246.
35. Wolters, H., and Jürgens, G. 2009. Survival of the flexible: hormonal growth control and
adaptation in plant development. Nat. Rev. Genet. 10: 305–317.
Список рекомендуемых Интернет-ресурсов
1. Gene Ontology Consortium, http://www.geneontology.org.
2. Plant Physiology 5ed. by L.Taiz&E.Zeiger. http://5e.plantphys.net/
3. Plant Ontology Consortium, http://plantontology.org.
4. PubMed, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed
5. Teaching Tools in Plant Biology. An Innovation of The Plant Cell.
http://www.plantcell.org/site/teachingtools/teaching.xhtml
Составитель доц. Стриж И.Г.