http://www.msu-genetics.ru/teaching/specificity/plant%20genetics.htm

ГЕНЕТИКА РАЗВИТИЯ РАСТЕНИЙ

Введение

Особенности развития растений. Развитие по спирали и метамерное строение растений. Пространственная детерминация клеток апикальной меристемы. Способность растительных клеток к дедифференцировке. Тотипотентность. Факторы, регулирующие развитие растений. Основные подходы к изучению развития растений. Значение генетических, морфо-физиологических, биохимических и молекулярно-биологических методов в изучении процессов морфогенеза. Основные проблемы генетики развития. Роль классических генетических подходов в изучении процессов роста и развития: использование генетических химер; мутационный анализ; анализ взаимодействия генов для выяснения порядка действия генов в процессах морфогенеза.

Генетический контроль морфогенеза растений

Значение генетических коллекций для изучения генетики развития растений. Использование мутантов растений для изучения факторов, регулирующих процессы развития, и выяснения механизмов их действия.

Генетический контроль эмбрионального развития растений. Особенности эмбрионального развития растений. Осевая и радиальная разметка тела эмбриона. Гены, контролирующие основные этапы эмбрионального развития у Arabidopsis и кукурузы. Значение аллельных мутантов с разной экспрессивностью для изучения функции генов в эмбриогенезе и постэмбриональном развитии растений. Генетическая модель эмбриогенеза Arabidopsis. Различие генетического контроля эмбриогенеза животных и растений.

Генетический контроль структуры и функции апикальной меристемы побега. Постэмбриональное развитие как результат функционирования апикальных меристем побега и корня. Роль центральной и периферической зон апикальной меристемы побега в поддержании меристематической активности и формировании органов. Роль генов - антогонистов STM и CLV в поддержании зонального строения апикальной меристемы уArabidopsis. Участие генов STM и ANT в закладке латеральных органов; комплементарный характер их экспрессии. Выявление семейств KNOTTED–продобных генов кукурузы (KNOX) и Arabidopsis (KNAT), содержащих гомеобоксы, и изучение их роли в регуляции эмбрионального и постэмбрионального развития. Возможная рольKNOTTED–продобных генов в эволюции структуры меристемы и усложнении типов листа.

Генетический контроль развития побега и цветка. Использование мутантов с изменениями времени зацветания, струкуры соцветия и цветка для изучения закономерностей морфогенеза побега и уветка (на примереArabidopsis и львиного зева). Этапы флорального морфогенеза.

Генетический контроль инициации цветения. Взаимодействие генетических, физиологических факторов и факторов внешней среды в индукции цветения.

Генетический контроль образования флоральной меристемы. Особенности экспрессии генов-антогонистов LFYи TFL1 у Arabidopsis. Роль генов, контролирующих реорганизацию апикальной меристемы цветоноса во флоральную, в эволюции типов соцветия. Роль гена BRA в подавлении развития прицветных листьев у Arabidopsis.

Генетический контроль дифференцировки органов цветка. Классическая (фолиарная) теория происхождения цветка И.В.Гете и неоклассическая теория. Изучение гомеозисных мутаций и их взаимодействий (анализ двойных и тройных мутантов). Генетическая модель регуляции дифференцировки органов цветка. Универсальность ABC-модели для растений разных систематических групп. Кадастральные гены, функция (на примере гена SUP).

Молекулярно-генетические подходы к изучению процессов развития

Молекулярно-генетическое изучение роли гомеозисных генов в развитии растений. Изучение дифференциальной экспрессии гомеозисных генов и ее регуляции методами гибридизации in situ. Подтверждение генетической модели. Молекулярно-генетические исследования «зеркальных мутантов» по гену PLENA у львиного зева. Взаимодействие продуктов гомеозисных генов AP3 и PI в регуляции образования лепестков и тычинок.

Клонирование и изучение гомеозисных генов Arabidopsis и львиного зева. Регуляторная роль гомеозисных генов в морфогенетических процессах. Особенности структуры белков, кодируемых гомеозисными генами. Значение генов, содержащих MADS-боксы, в регуляции флорального морфогенеза, эмбриогенеза, ризогенеза, дифференцировке листа. Распространение генов, содержащих MADS-боксы, в растительном мире. Представление о генетической иерархии, контролирующей флоральный морфогенез. Роль генов группы polycomb в ограничении доменов экспрессии гомеозисных генов растений и животных.

Использование методов генетической трансформации для изучения морфогенеза растений. Изучение функции гомеозисных генов и механизмов их регуляции с помощью изучения эктопической экспрессии трансгенов в растениях (на примере трансформации гомеозиснвми генами AG и AP3 растений табака и Arabidopsis). Явление “косупрессии” генов у трансформантов. Трансформация растений антисмысловой ДНК.

Выявление генов, дифференциально экспрессиирующихся в клетках растений дикого типа и гомеозисных мутантов для идентификации генов, регулируемых MADS-белками.

Взаимодействие генетических и фитогормональных факторов в развитии растений

Значение гормональных мутантов в изучении развития растений. Генетическое и физиолого-биохимическое изучение гормональных мутантов, их классификация. Методы выделения гормональных мутантов.

Использование карликовых мутантов растений и мутантов типа slender для изучения роли гиббереллинов в развитии стебля, путей биосинтеза и катаболизма гиббереллинов (на примере мутантов гороха и Arabidopsis). Генетический анализ тонкой структуры гена GA1. Клонирование и изучение генов, контролирующих биосинтез гормонов (на примере генов биосинтеза гиббереллинов GA1 и GA4). Механизмы регуляции экспрессии генов биосинтеза гормонов.

Классификация мутантов с измененной чувствительностью к гиббереллинам. Генетический контроль рецепции гормонов и передачи гормонального сигнала. Клонирование и изучение генов GAI, RGA и SPY Arabidopsis. Гены гиббереллинового ответа. Роль внешних факторов в регуляции биосинтеза и катаболизма гиббереллинов и передачи гиббереллинового сигнала.

Использование генетической трансформации для изучения роли фитогормонов в онтогенезе растений. Трансформация растений генами биосинтеза и катаболизма гормонов и генами, определяющими изменение чувствительности к гормонам.

Молекулярные механизмы восприятия и передачи гормональных и световых сигналов у растений

Клонирование и изучение генов, определяющих чувствительность к фитогормонам (на примере генов, участвующих в рецепции абсцизовой кислоты и этилена и передаче гормонального сигнала). Протеинкиназы и фосфатазы; роль процессов фосфорилирования - дефосфорилирования белков в передаче гормональных сигналов. Роль кальция и кальмодулина в регуляции устьичной проводимости абсцизовой кислотой. Другие вторичные медиаторы, их роль в усилении и умножении гормональных сигналов.

Участие фитогормонов в передаче стрессового сигнала и защите растений от вредителей. Роль абсцизовой кислоты, жасмоновой кислоты и метилжасмоната в индукции генов, контролирующих образование ингибиторов протеаз в клетках растений.

Фитохромы и рецепторы синего света. Классификация мутантов с измененной чувствительностью к свету. Генетический контроль рецепции света (у гороха и Arabidopsis). Роль G-белка, цГМФ и кальция в передаче светового сигнала. Гены, контролирующие передачу светового сигнала у Arabidopsis, их иерархия. Взаимодействие гормональных и световых сигнальных путей. Модели передачи фитогормональных и световых сигналов у растений.

Дифференциальная экспрессия ядерных генов как основа онтогенетического развития

Cтруктура промоторной области ядерного гена. Цис- и транс-действующие регуляторные элементы. Особенности регуляции экспрессии разных генов одногосемейства (на примере генов, кодирующих малую субъединицу РДФ карбоксилазы). Наличие консервативных последовательностей регуляторных элементов у различных ядерных и хлоропластных генов, их значение. Регуляция экспрессии растительных генов сигналами внешней и внутренней среды.

Методы изучения экспрессии растительных генов. Использование мутагенеза in vitro клонированных генов и трансформации растений для выявления и изучения регуляторных последовательностей. Использование репортерных (индикаторных) генов для изучения механизмов регуляции генного действия. Изучение тканевой и органной специфичности генной экспресии с помощью анализа активности гена GUS. Использование репортерного гена GFP для анализа особенностей генной экспрессии в живых растениях. Анализ транзитной (временной) экспрессии трансгенов. Выявление специфических регуляторных последовательностей, обеспечивающих дифференциальную экспрессию генов в ответ на действие фитогормонов (на примере генов, индуцируемых абсцизовой кислотой и этиленом). Молекулярно-генетические основы множественных эффектов гормонального действия.

Индуктивные взаимодействия клеток и тканей в процессах морфогенеза растений

Использование генетических химер в изучении закономерностей морфогенеза растений. Способы получения химер. Типы химер. Использование химер по плоидности в изучении структуры апикальных меристем (эксперименты на дурмане Satina, 1940). Особенности строения апикальных меристем низших, голосеменных и покрытосеменных растений. Изучение закономерностей дифференцировки вегетативных и генеративных органов (на примере изучения периклинальных генетических химер пеларгонии и молочая). Роль слоя L2 в формировании генеративных клеток.

Изучение механизмов, координирующих активность клеток из разных слоев апикальной меристемы при формировании органов (на примере изучения периклинальных внутривидовых и межвидовых химер томатов). Использование периклинальных генетических химер для изучения закономерностей флорального морфогенеза (на примере химер по гену FLO львиного зева). Изучение закономерностей развития побега и “клеточной автономности” продуктов действия генов на мериклинальных и секторных химерах. Особенности генетического анализа химерных растений.

Использование генетической трансформации для изучения индуктивных взаимодействий клеток и тканей. Структура химерных генов, использующихся в экспериментах по генетическому удалению клеток, тканей, органов. Использование слитого гена, содержащего промотор гомеозисного гена АР3 и участок, контролирующий образование дифтерийного токсина, для изучения индуктивных взаимодействий между разными органами цветкаArabidopsis и табака. Повышение эффективности “генетической хирургии” с помощью двукомпонентной системы генов barnase/barstar.

Возврат к оглавлению

Нестабильность растительного генома в онтогенезе

Исследования Б. Мак-Клинток по выявлению мобильных элементов кукурузы. Значение мобильных элементов в регуляции действия генов в онтогенезе. Автономные и неавтономные мобильные элементы. Семейства мобильных элементов кукурузы и львиного зева. Растительные ретротранспозоны. Сходство ретротранспозонов Ta Arabidopsisс copia элементами дрозофилы. Гипотеза о инфекционном происхождении ретротранспозонов Ta Arabidopsis и Tnt1лилии. Невирусные ретротранспозоны кукурузы Cin4. Значение мобильных элементов в возникновении стабильных и нестабильных генетических изменений (на примере локуса Nivea львиного зева). Молекулярно-генетические исследования нестабильных аллелей локуса Nivea. Парамутации кукурузы, томата, львиного зева. Нарушение закона чистоты гамет в результате взаимодействия "парамутагенных" и "парамутабильных" аллелей.

Обнаружение генов агробактерии в геноме дикорастущих и культурных растений; их функция. Роль агробактериальных генов в изменчивости генома растений. Нестабильность трансгенов в геноме растений в экспериментах по генной инженерии; причины и последствия.

Изучение роли процессов метилирования в регуляции действия генов. Эпигенетические аллели гомеозисных генов SUP и AG.

Возврат к оглавлению

Морфогенез и филогенез

Гипотезы о генетических основах эволюционного процесса. Мутационизм Де Фриза, макрогенез Гольдшмидта, постепенное видообразование путем накопления микромутаций. Роль “многообещающих монстров” Гольдшмидта в эволюции культурных растений. Эволюционная генетика развития, цели, подходы. Регуляторные гены - переключатели путей морфогенеза и их возможная роль в эволюции структуры соцветия (на примере ортологов гена FLO и CEN львиного зева и гена Teosinte architecture1 кукурузы и теосинте). Регуляторные гены, контролирующие симметрию цветка (актиноморфность – зигоморфность) и особенности его структуры.

Избыточность транскрипционных регуляторов морфогенеза в геноме растений. Явления дупликации и дивергенции генов, значение. Семейства гомеозисных генов, контролирующих морфогенез. Сравнительное изучение структуры и функции гомеозисных генов-ортологов, контролирующих дифференцировку органов цветка у различных видов растений (на примере изучения ортологов AP3/GLO и PI/DEF Arabidopsis и львиного зева). Молекулярная эволюция генов, контролирующих важнейшие этапы морфогенеза. Возможность использования данных по структурным различиям основных генов морфогенеза для изучении систематики и эволюции цветковых растений (на примере клонирования и изучения ортологов и паралогов, контролирующих формирование лепестков и тычинок у разных филогенетических групп двудольных и однодольных растений).

Использование методов сравнительной геномики в исследовании вопросов филогении.

Возврат к оглавлению

ЛИТЕРАТУРА

основная

1. Лутова Л.А., Проворов Н.А., Тиходеев О.Н., и др. Генетика развития растений. Санкт-Петербург, Наука. 2000. 539 с.

2. Гилберт С. Биология развития. М., Мир. 1994 (в 3-х томах).

3. Корочкин Л.И.; Введение в генетику развития. М. Наука. 1999.251 с.

дополнительная

1. Кучук Н.В. Генетическая инженерия высших растений. Киев, Наукова думка. 1997. 152 с.

2. Пирузян Э.С. Основы генетической инженерии растений. М., Наука. 1988. 303 с.

3. Шевченко В.В, Гриних Л.И. Химерность у растений. М., Наука. 1981. 212 с.

4. Рей Дж.Б., Коррннеф М., Критчли К., и др. Генетический подход к биохимии растений. М., Агропромиздат. 1990.

5. Берг П. М., Сингер М. Гены и геномы., Мир. 1998 (в 2-х томах).

6. Дрейпер Дж., Скотт Р., Армитидж Ф., и др Генная инженерия растений: Лабораторное руководство.. М., Мир. 1991. 408 с.

7. Френкель-Конрад Х., Гейзен Г., Диз П. и др. Мобильность генома растений. М., Агропромиздат. 1990.

Возврат к оглавлению

Составитель: доцент, д.б.н. Т.А. Ежова