6. Генетика цветения Автор рассказывает о том, что такое

Генетика
цветения
М.Б.Литвинов
Маленький принц никогда еще не видал таких огромных бутонов
и предчувствовал, что увидит чудо. А неведомая гостья, еще скрытая
в стенах своей зеленой комнатки, все готовилась, все прихорашивалась.
Она заботливо подбирала краски. Она наряжалась неторопливо, один за другим
примеряя лепестки. Она не желала явиться на свет встрепанной, точно
какой-нибудь мак. Она хотела показаться во всем блеске своей красоты.
Да, это была ужасная кокетка! Таинственные приготовления длились день
заднем. И вот однажды утром, едва взошло солнце, лепестки раскрылись.
Антуан де Сент-Экзюпери
Цветы и гены
Неудивительно, что к цветению растение
готовится долго и старательно —очень
уж это важное дело. Конечно, кроме цвет­
кового (полового) размножения есть и
вегетативное, но это всего лишь запол­
нение экологической ниши своей биомас­
сой. Ацветение—возможность переме­
шать генетический материал, а затем
распространить удачные мутации. Вдруг
они когда-нибудь объединятся в какомто растении и получится что-то новое,
невиданное? Ради этого не жаль потра­
тить ресурсы на создание специально­
го органа — цветка. Дело, однако, не
только в ресурсах.
Если бы цветение проектировал ин­
женер, у него возник бы миллион воп­
росов. Когда растение должно цвести:
весной, летом, осенью? А может быть,
весь теплый сезон? Сколько выращи­
вать цветков и какими их делать: круп­
ными, яркими и пахучими или малень­
кими и невзрачными, редкими или
обильными? Собирать в соцветия или
пусть растут поодиночке? Сколько дол­
жно быть частей цветка, каковы их фор­
ма, расположение, цвет?
Растения приспособились отвечать на
эти вопросы без расчетов, чертежей и
размышлений. Внешне все просто: при­
ходит время, набухают и раскрываются
бутоны, и все замирают в восхищении
перед привычным чудом. Однако под­
готовка к цветению—сложнейшая цепь
событий, и начинается она задолго до
того, как появятся бутоны или цветоч­
ные стрелки. Клетки, ранее порождав­
шие стебель и листья, незаметно пре­
вращаются в зачаток цветка, и в уроч­
ное время он появляется на свет с око­
лоцветником, тычинками и пестиками
известной формы и окраски, с арома­
том и нектаром, если они предусмотре­
ны стратегией размножения.
Все, что происходит с растением —
рост, распускание листьев, цветение,
52
созревание плодов, увядание, — ка­
жется простым и бесхитростным, од­
нако за эти процессы отвечают, пря­
мо или косвенно, тысячи генов, бел­
ков, малых молекул. Вся последова­
тельность событий, все взаимодей­
ствия, все контуры регуляции записа­
ны в геном, как положено, текстами
из четырех букв генетического алфа­
вита. Повинуясь программам и с уче­
том внешних условий, включаются
нужные гены, синтезируются белки,
клетки получают сигналы делиться,
дифференцироваться, производить
какие-то особые, только им присущие
вещества. Эти процессы должны про­
текать согласованно и не сбиваться
от случайных, незначительных причин.
Гены цветения, как и гены, отвеча­
ющие за другие функции, ученые вы­
являют, когда обнаруживают мутантные растения. У некоторых из них сби­
та настройка на световой режим, и
они цветут при коротком дне вместо
длинного, другие вместо соцветия
дают одиночные цветки на конце по­
бега, третьи производят странные
цветки, в которых несколько кругов
лепестков или тычинок вместо одно­
го. (Далее я расскажу об этом под­
робней.) Вариантов может быть мно­
жество, и трудно сомневаться, что их
появление —шанс для эволюции, что
какие-то из необычных форм когдато оказались удачными, прижились,
размножились и обогатили флору но­
выми видами. Иногда мутанты стано­
вятся родоначальниками сортов куль­
турных растений, и в любом случае
они представляют большой интерес
для генетиков. Скрещивая их с нор­
мальными растениями и между собой,
анализируя у потомства строение по­
бегов, соцветий и цветков, реакцию
на разные стимулы, можно не только
обнаружить новые гены, но и что-то
узнать об их взаимодействиях.
Рассматривая эти процессы, никак
нельзя обойтись без представления о
генных сетях—системах функциональ­
но связанных генов (рис. 1). Одни из
них кодируют рецепторы внешних сиг­
налов, другие — рецепторы фитогормонов, третьи — структурные и рабо­
чие белки (например, ферменты или
белки-транспортеры). Есть среди них
и гены внутриклеточных регуляторов,
продукты которых индуцируют одни
группы генов и репрессируют другие.
Таким образом, один сигнал может
влиять на образование сразу несколь­
ких белков, а вся система генов с регуляторными путями позволяет согла­
совывать разные процессы и доводить
их до желанного результата —появле­
ния цветка и семян.
Далеко не все гены выявлены, не
для всех известны белки-продукты, не
говоря уж об их многочисленных вза­
имодействиях. Исследования прове­
дены лишь на модельных растениях,
а у тех, которые нас заинтересовали,
цветение может происходить не в тот
срок или отличается строение цвет­
ка. (Впрочем, довольно часто сходные
гены цветения есть у растений, состо­
ящих в весьма отдаленном родстве —
консерватизм основных процессов
цветения уже не вызывает сомнения.)
И все же многое постепенно выясня­
ется. Очень полезны методы генной ин­
женерии. Они позволяют выключить изу­
чаемый ген, увеличить его количество в
клетке, изменить последовательность
аминокислот в его продукте, изменив
таким образом активность этого белка,
или заставить ген не замечать сигналы,
регулирующие его экспрессию.
Изучение функции отдельных генов
относится к направлению, которое на­
зывают функциональной геномикой.
Она идет бок о бок со сравнительной
геномикой, находящей общее и разли­
чия в генах разных организмов. Эти
дисциплины уже перестали быть новы­
ми и экзотичными, чего не скажешь о
еще одном направлении биологии эводевотике, эволюционной генетике
развития (от evolutionary developmen­
tal genetics). В рамках этого направ­
ления ученые исследуют, как измене­
ния в генах, контролирующих разви­
тие, приводят к эволюционным из-
1
Гипотетическая схема простой генной
сети. Продукт гена 1 - рецептор внешнего
сигнала. При поступлении этого сигнала
индуцируется регуляторный ген 2.
Он через свой белок индуцирует гены 3 и 4
и репрессирует ген 5
■и.ы.шп
РОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ НАУКИ
менениям в морфологии и физиологии
растений. Возможно, afsj один из глав­
ных способов эволюции, ведь мутации
в регуляторных генах по необходимос­
ти должны влиять на все подчиненные
гены. Вероятно, именно так возникали
согласованные изменения в разных
органах. Это, конечно, не значит, что M y V
тации не происходят в отдельных генах
и что такие мутации совсем не важны.
Метаморфозы
Цветок —это видоизмененный
побег, в котором листья превра­
тились в чашелистики, лепестки
венчика, тычинки и плодолисти­
ки, у большинства растений об­
разующие пестики. Первым на
это обратил внимание Гете, заме­
тив у некоторых растений переходные
формы между разными частями цвет­
ка и листьями. На основе этих наблю­
дений поэт создал учение о метамор­
фозе, занявшее почетное место в био­
логии. Примеры переходных форм
приводит К.А.Тимирязев в знаменитой
книге «Жизнь растения». У пиона есть
постепенные переходы между листом
и чашелистиком, чашелистиком и ле­
пестком венчика, плодолистиком и
листом, у кувшинки — между лепест­
ком и тычинкой. Уже в эпоху генной
инженерии были проведены опыты по
генетической трансформации арабидопсиса, в результате из их листьев
удалось получить цветковые органы.
Исторически развитие цветка шло от
неопределенного количества частей
одного типа, расположенных по спи­
рали, как у лютика, к кругам с посто­
янным количеством частей (розоцвет­
ные, капустные, пасленовые). Кстати,
что-то похожее произошло и у живот­
ных, когда из кольчатых червей с мно­
жеством сходных по строению члени­
ков получились насекомые с немно­
гими более специализированными
частями тела. Другие направления
эволюции цветка приводили ктому,
что части цветка становились менее
разнообразными: вместо четырехтипов органов возникало три или два,
изредка даже один. Кроме того, цвет­
ки часто переходили от радиальной
симметрии кдвусторонней.
бирает массу в стадии вегетативного
роста, верхушечная меристема обра­
зует листья и стебель (рис. 2). Все ме­
няется, когда приходит пора заклады­
вать цветки.
Пора цветения
|Гнашем климате сады, как известно,
L цветут один лишь раз, да и то не­
долго. И не только сады, но и дере­
вья в лесах, и травы. Неужели солг нечного света едва хватает на одну
порцию плодов и семян? Вполне
возможно, ведь семена содержат
концентрированное,энергонасыщен­
ное вещество—запасные белки, угле­
воды, масла. Семян должно быть мно­
го. А многолетникам приходится не
только цвести, но и накапливать запа­
сы на зиму. Количество света, площадь
листьев, эффективность фотосинтеза и
последующих биосинтезов таковы, что
вырастить можно не больше определен­
ного количества семян.
Принимая решение создавать цвет­
ки, растение учитывает несколько об­
стоятельств. Прежде всего —приня­
тую видом стратегию опыления и раз­
множения. Подснежники,прострелы,
мать-и-мачехи торопятся зацвести
пораньше, едва стает снег, астры,
хризантемы, кульбабы тянут до пос­
ледней возможности. Яблони, вишни,
сливы, рябины, другие деревья и ку­
старники семейства розоцветных ра­
дуют нас в мае. Многие луговые рас­
тения цветут на пике лета, в июле.
Если растение опыляется насекомы­
ми, сроки цветения приходится согла­
совывать с их активностью.
Важнейшие факторы, управляющие
временем закладки цветков, —тем­
пература и продолжительность свето­
вого дня. Температура среды не толь­
ко задерживает или ускоряет цвете­
ние, но и способна запретить или раз-
В индивидуальной истории растения
цветки появляются не сразу. В семе­
ни их зачатков нет, в отличие от за­
чатков листьев и корней. Это было бы
слишком расточительно, очень уж
много семян пропадает. Растение
сначала вырастает, достигает опреде­
ленной стадии развития (нечто вроде
половой зрелости), убеждается, что
попало в хорошие условия, копит ре­
сурсы, а уж потом цветет.
Для роста побега на его верхушке на­
ходится недифференцированная ткань—
апикальная (верхушечная) меристема. Ее
клетки быстро делятся, зона деления
перемещается вместе с верхушкой по­
бега. Клетки на ее периферии диффе­
ренцируются — превращаются в спе­
циализированные. Когда растение на2
Дикие формы и некоторые мутанты арабидопсиса. ,
Слева направо: дикая форма длинного дня; ж
дикая форма короткого дня; у мутанта
по гену LFY цветки похожи на побеги;
у мутанта по гену API ветвящиеся
цветки, у мутанта по обоим генам
LFY и API цветков нет - только
вегетативные побеги.
(по: Trends in Plant Science, 1999, Vol. 4, No. 2).
4
й^ ^
3
На схеме
показаны
места,
где в клетках апикальной меристемы
работают гены TFL, LFY, API/CAL
решить его, когда даже о цветочных
зачатках и речи нет. В наших широ­
тах немалому числу растений (напри­
мер, озимым злакам, некоторым ка­
пустным) для цветения необходимо,
чтобы семена перезимовали. Холод
(температура +2-10°С) во время про­
растания семян что-то с ними дела­
ет, и растение, появившееся из таких
семян, способно дать цветы. Переход
растения в другое состояние при воз­
действии низких положительных тем­
ператур называют яровизацией (поанглийски вернализацией) — это как
бы запись о том, что зима состоялась.
Яровизация — не единственное ус­
ловие цветения, а иногда — необходи­
мое, но недостаточное. Обычно непос­
редственным внешним сигналом слу­
жит продолжительность светового дня,
что совсем неудивительно. Если день
увеличивается, значит, стоит весна,
впереди много тепла и света, семена
успеют завязаться, вырасти и созреть.
Это особенно важно для растений уме­
ренных и приполярных широт. День
уменьшается — скоро наступит осень.
Однако растение целое лето копило
резервы, и у него еще есть шансы рас­
цвести и оставить семена под зиму.
Растения короткого дня больше распро­
странены в субтропиках.
Зависимость физиологических про­
цессов от длины светового дня назы­
вают фотопериодизмом. За него от­
вечают специальные белки-фоторе­
цепторы, расположенные в листьях, —
фитохромы. Самая распространенная
система фитохромов чувствительна к
красному свету (с длиной волны от
620 до 680 нм и максимумом действия
при 660 нм) и к «дальнему красному»
свету (с длиной волны от 700 до 760 нм
и максимумом действия при 730 нм).
Дальний красный свет переводит фитохром в неактивную форму Р660, крас­
ный — в активную Р730. В темноте Р730
медленно разрушается. Солнечный
свет содержит примерно поровну
красного и дальнего красного цвета,
но действует, как красный. Это зна­
чит, что при увеличении светового дня
равновесие между формами фитохрома сдвигается в сторону активной, она
не успевает разрушиться за ночь, на­
капливается и действует как индуктор
54
4
Генная сеть,
определяющая
цветение
у арабидопсиса
(данные на январь
2002 года - по Trends
in Plant Science, 2002,
Vol.7 No.l)
i
i
на зависящие от длины
■
дня гены, в том числе и
гены цветения.У расте­
ний короткого дня все
происходит наборот: при
уменьшении количества
Р730 цветение становится
возможным. Такова об­
щая схема, она действу­
ет не всегда.
К растениям длинного
дня относятся яровые
злаки умеренной зоны,
арабидопсис, шпинат,
свекла, табак Nicotiana
sylvesths, белена. Растения коротко-]
го дня: рис, просо,конопля,соя,та­
бак Nicotiana tabacum. Томаты, гре­
чиха, горох, мятлик(распространен­
ный дикорастущий злак) безразличны
к длине светового дня.
Мутация генов, отвечающих за фото­
периодические реакции, может приве­
сти к тому, что растение перестает ре­
агировать на продолжительность свето­
вого дня так, как ему положено. Имен­
но это произошло с табаком в 20-е годы,
когда на поле табака Nicotiana tabacum
появилась мутация Мэриленд Маммот
(Мэрилендский мамонт). Оно выраста­
ло до необычных размеров потому, что
не зацветало на поле и продолжало на­
ращивать массу листьев и побегов. В
теплице мутантные растения зацвели
только в декабре, при очень коротком
световом дне.
Большой материал накоплен по му­
тантам арабидопсиса (резушки Таля) любимого растения генетиков (рис.2).
Похожие гены и мутации должны быть
у его близких родственников из се­
мейства капустных,или крестоцвет­
ных: рапса, капусты, редьки и других.
У арабидопсиса найдены гены «ав­
тономного» пути,которые обеспечи­
вают цветение, и гены фотопериодич­
ности, которые регулируют прохожде­
ние по этому пути в зависимости от
продолжительности светового дня.
Среди вторых хорошо изучены FRI
(FRIGIDA) и FLC (FLOWERING LOCUS С).
У озимого арабидопсиса аллели в
обоих локусах доминантны. FLC коди­
рует фактор транскрипции — белок,
регулирующий синтез матричной РНК
для комплекса из нескольких генов.
i
|
В..
П
Экспрессия этого гена приводит к за­
держке цветения. Ген FRI усиливает
экспрессию FLC. При яровизации эк­
спрессия FLC выключается, и расте­
ния могут зацвести рано, однако если
мутации происходят в генах автоном­
ного пути, FLC не репрессирован и
растение цветет поздно. Если же му­
тация происходит в самом гене FLC и
он перестает работать, арабидопсис
начинает цвести, не дожидаясь длин­
ного дня.
Уже предпринимались попытки с
помощью генетических манипуляций
управлять реакциями растения на про­
должительность дня. Недавно группа
корейских ученых решила замедлить
цветение у редьки. Известно, что, как
только продолжительность дня стано­
вится больше определенной,капуст­
ные, в том числе редиска и редька,
перестают образовывать нежные кор­
неплоды и выбрасывают стрелки — со­
бираются цвести. Качество корнепло­
дов при этом портится, но, если от­
далить цветение, они дольше останут­
ся годными для еды. Корейские био­
технологи встроили в геном местной
редьки один из генов, индуцируемых
длинным световым днем. Хитрость в
том, что ген перевернут и при транс­
крипции с него считывается матрич­
ная РНК, комплементарная нормаль­
ной. Они связываются и образуют
комплекс, матричная РНК уже не мо­
жет быть использована при синтезе
белка-регулятора, и реакция на све­
товой день прерывается.
Сигнал о продолжительности дня
растения корректируют — вводят по­
правку на внешние обстоятельства:
температуру, количество воды, мине­
ральное питание и другие. Важность
этих факторов для разных растений
различна. У некоторых видов цвете­
ние полностью определяется внешни­
ми условиями, и, если те не сложи­
лись, растения не цветут. Чаще бла­
гоприятные внешние факторы только
ускоряют цветение. А есть и такие
растения, которые не обращают вни­
мания на внешние условия — если уж
те годятся для роста, то подойдут и
для цветения. К таким относится, на­
пример, горох.
Строительство цветка
Как спланировать цветы — подобрать
вид, форму, цвет? Все зависит от стра­
тегии опыления. Если используются
насекомые, нужны приманки: большой
яркий венчик необычной формы,не­
ктар, запах—в общем, творчество, как
в Доме моделей, где есть место и эпа­
тажу вроде гнилостного запаха, и аван­
гарду, и классике. У многих видов вся
эта роскошь прикрыта плотными чаше­
листиками, что очень удобно: и неза­
метно до поры до времени, и фото­
синтез идет. Если опылитель —ветер,
на красоту и большой размер можно
не тратиться, а сделать цветки легко
продуваемыми и вырастить их поболь­
ше числом.
Наблюдая за образованием цветка,
мы сталкиваемся с общебиологичес­
кими явлениями: морфогенезом (об­
разованием частей тела с определен­
ной формой из малооформленной
массы клеток), детерминацией (выбо­
ром пути развития малодифференцированной клеткой), дифференцировкой (превращением неспециализиро­
ванных клеток в специализирован­
ные). Что происходит во время этих
превращений с клетками, молекула­
ми, генами, ботаники хотели бы знать
не меньше, чем эмбриологи животных
или медики.
Когда все необходимые приказы со­
гласованы и получены клетками апи­
кальной меристемы, она превращает­
ся в меристему соцветий, или цветко­
вую. Последняя формирует зачатки
частей цветка —примордии. Те обра­
зуются от периферии к центру: снача­
ла зачаточные чашелистики, затем ле­
пестки венчика, тычинки и, наконец,
пестики, состоящие из одного или не­
скольких сросшихся, а иногда —пол­
ностью или частично свободных пло­
долистиков.
О том, что в это время происходит
активация каких-то генов, догадались
уже в 70-е годы, когда обнаружили,
что в ядрах клеток при этом умень­
шается содержание гистонов, а в ци­
топлазме накапливаются РНК и бел­
ки. Затем ускорялся синтез ДНК, чаще
происходили митозы—деления кле­
ток. Однако только в последние де­
сятилетия начали обнаруживать и вы­
делять конкретные гены, занятые в
процессах морфогенеза, детермина­
ции, дифференцировки. Сейчас уче­
ные составляют и уточняют схемы вза­
имодействия генов при подготовке и
во время цветения, сравнивают раз­
ные растения, отыскивают у них по­
добные по функции и строению гены,
строят схемы эволюции генов и цве­
тения в целом.
Уарабидопсиса (рис. 3) во время ро­
ста в вегетативной апикальной мерис­
теме работает ген TFL. (От terminal flo­
wer - ц в е т о к на конце побега. Он назы­
вается так потому, что одна из его мута­
ций приводит к появлению на конце по­
бега арабидопсиса одиночного цветка
вместо точки роста соцветия.) Ген TFL
находится в противоборстве с геном LFY
(от leafy —листовой) — они репресси­
руют друг друга. Сначала активен пер­
вый, но в какой-то момент под действи­
ем внешних и внутренних факторов
(продолжительности светового дня, тем­
пературы, фитогормонов гиббереллинов
и прочих), о которых речь уже шла, ген
LFY перебарывает TFL и начинает тор­
мозить его. LFY — ключевой ген в про­
цессах образования цветков. Его про­
дукт—фактор транскрипции,следова­
тельно, ген LFY может регулировать эк­
спрессию других генов.
Когда меристема готова создать цве­
ток, ее клетки, расположенные в раз­
ных зонах, должны определиться—чем
им стать. Первая задача — заложить
круги зачатков, грубо поделить на них
клеточную массу. Здесь генетикам уда­
лось открыть простые закономерности.
Выяснилось, что гены, которые отве­
чают за образование частей цветка,
делятся на пять групп и проявляют пять
видов активности, обозначаемых буква­
ми А, В, С, D, Е. Вероятно, не все еще
найдены, но уже известно, что к группе
А относятся гены АР1 и АР2, к В — АРЗ и
PI, к С — AG, к D , вероятно, — AGL11 и
к Е — SEP1, SEP2, SEP3. В самых край­
них зачатках экспрессируются гены
группы А, и образуется чашечка цвет­
ка. А, В и Е вместе дают начало венчи­
ку, В, С и Е —тычинкам, С и Е— плодо­
листикам. Гены с активностью D необ­
ходимы для образования семяпочек, а
с активностью Еучаствуют в создании
лепестков, тычинок, плодолистиков и,
вероятно, семяпочек(Рис. 4). Кроме
упомянутых, в формировании цветка
участвуют и многие другие гены. К со­
жалению, до сих пор не вполне понят­
но, в результате действия каких генов
в определенных клетках активируются
гены групп А, А и В и т.д.
Естественные мутации или экспери­
ментальное выключение этих генов
приводят к изменениям в строении
цветка. Например, если не работают
гены с активностью В, то получится
цветок, состоящий из двух рядов ча­
шелистиков и плодолистиков двух ти­
пов, одни из которых расположены
внутри других.
Украшения цветка
В клетках разных зачатков неодина­
ковый обмен веществ. В лепестках
часто образуются красивые пигмен­
ты, например антоцианины. В чаше­
листиках синтезируется хлорофилл и
протекает фотосинтез. Внутри цветка
у основания пестика образуются не­
ктарники. Какие-то клетки начинают
вырабатывать эфирные масла, прида­
ющие цветку его аромат.
Каким образом части цветка приоб­
ретают присущую им форму, пока не­
понятно. Простые округлые лепестки,
вероятно, образуются без особых
сложностей, но в построении слож­
ных, таких, как у дельфиниума, водо­
сбора, львиного зева или бобовых,
должны быть свои хитрости. Какимто образом гены определяют направ­
ление деления и разрастания клеток.
Понятно, что в развитии жестких или
нежных органов (например, чашелис­
тиков или лепестков) по-разному уча­
ствуют гены, отвечающие за форми­
рование и состав клеточной стенки.
Нам пока еще далеко до общей кар­
тины цветения на молекулярном уров­
не, и мы можем только воображать,
как сигналы внешней среды через
фитохромы и другие рецепторы по­
сылают посредников «по инстанциям»
в ядро клетки, как там изменяется
экспрессия регуляторных генов, как
белки-регуляторы пробираются в деб­
рях расплетенных хромосом к своим
мишеням, как начинают синтезиро­
ваться новые ферменты, как они за­
пускают реакции биосинтеза, харак­
терные для цветка. Значит, впереди
много открытий.
Автор благодарит
за консультации кандидата
биологических наук О.А.Шульгу
(Центр «Биоинженерия» РАН) (£
55