Переломный момент при переходе к цветению

Переход к цветению является одним из основных событий в жизни растений. Но, как это ни покажется странным, ученые во всем мире еще не до конца понимают общую картину событий, которая происходит в растении в этот момент.

Известно, что переход к цветению контролируется большим числом генов, которые помогают растению учитывать различные внешние условия — длину дня, температуру, влажность и т.д. — и «принимать решение» о переходе к этому процессу. У модельного объекта генетики растений Arabidopsisthalianaключевым геном, экспрессия которого вызывает переход к цветению, является ген LEAFY(LFY), функционирующий в меристеме (область недифференцированных — «неопределившихся» — клеток, из которых затем образуются различные органы растения) соцветия. Его основной антагонист — ген Flowering Locus C (FLC), он активен на вегетативной стадии развития. Ещё в 60-х годах морфологи наблюдали изменения, происходящие в меристеме при переходе к формированию цветков. Они включали резкое «переформатирование» характера деления клеток, сопровождающееся ускорением клеточных делений и частичной их синхронизацией. Однако исследования проводились на объектах, которые не стали в последствии модельными для генетики, и поэтому в дальнейшем эти явления не были подробно описаны на молекулярном уровне.

Больше в этом вопросе удалось выяснить группе российских ученых под руководством Алексея Пенина из Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова. Соответствующая статья опубликована в журнале BMC Genomics (импакт-фактор — 3.99: http://www.biomedcentral.com/1471-2164/16/466).

Для детального изучения процессов, происходящих в меристеме соцветия при переходе к цветению, исследователями был использован метод прочтения РНК (секвенирование РНК — RNA-seq) — современный высокопроизводительный метод анализа, который позволяет получить максимально полную картину активности генов. Они изучили детальную серию стадий развития меристемы соцветия — от 7 дня, когда только-только начинают развиваться первые листья, до 16 дня, когда начинают развиваться цветки. Наблюдение за поведением ключевых регуляторов FLC и LFY позволило выявить особую точку, на которой гены проявляют себя с одинаково низкой интенсивностью. Это происходит на 11 день после прорастания растений в условиях 16-часового светового дня. Найденная точка характеризуется изменением экспрессии около 20% от общего числа всех генов: происходит резкий всплеск активности части генов, и, наоборот, столь же резкое падение у других.

Более внимательно присмотревшись к генам, которые меняют свою активность в этой точке, исследователи обнаружили, что большинство из них играют важную роль в цикле деления клеток (это прежде всего гены таких белков, как гистоны, актины, тубулины, циклины и др.) При этом изменения большинства генов этих классов происходят синхронно, что обращает на себя особенное внимание.

Клеточный цикл при обычном делении включает в себя пять основных состояний: S — когда происходит удвоение генетического материала клетки, G2 — когда клетка переходит к делению, M — когда клетка делится, G1 — стадия после выхода из деления. Помимо этого, клетка может уходить в состояние покоя, называемое G0. Наблюдение за поведением экспрессии генов, участвующих в клеточных делениях, позволяет понять, на какой стадии клеточного цикла находится большая часть клеток в анализируемой ткани. Так, например, известно, что пик экспрессии генов гистонов (гистоны — это специальные белки, которые формируют основу хроматина, т.е. «каркас», на который «намотана» ДНК в клеточном ядре) — приходится на момент S-фазы, когда происходит удвоение ДНК. На 11 день в переломной точке все без исключения гены гистонов показывали резкий всплеск уровня экспрессии. Однако интрига заключалась в том, что одновременно с увеличением числа гистоновых мРНК происходил также всплеск экспрессии генов, чьи продукты характерны для М-фазы (например, тубулинов, которые нужны для правильного распределения генетического материала при делении). Ситуацию, когда в одной и той же клетке одновременно экспрессируются гены S-фазы и M-фазы, представить себе затруднительно. Парадокс удалось разрешить, предложив оригинальную концепцию «перефоматирования» клеток меристемы при переходе к цветению.

Идея, предложенная в работе, состоит в том, что до момента инициации цветения клеточный цикл включает достаточно продолжительные промежутки между ростом и делением клеток, а также, что в меристеме присутствует большое число клеток в состоянии G0. В критической точке, отделяющей вегетативную стадию развития от генеративной, продолжительность клеточного цикла резко падает, что через изменение структуры хроматина может влиять на активность генов, контролирующих переход к цветению. Затем параметры клеточного цикла восстанавливаются, однако в меристеме происходит снижение числа покоящихся клеток.

«Эту гипотезу очень хотелось бы проверить не только на уровне экспрессии генов, но и непосредственным наблюдением за делением клеток. К сожалению, Arabidopsisthaliana, этот во многих отношениях прекрасный объект для экспериментов (прежде всего из-за хорошей изученности структуры его генома и функций отдельных генов), не очень хорошо подходит для цитологических исследований — уж слишком мелкие у него клетки, особенно в меристеме. Однако использование ряда современных подходов к анализу клеточных делений, вероятно, позволит решить эту задачу в дальнейшем», — говорит руководитель исследования Алексей Пенин.

Авторы надеются, что проведенное исследование послужит основой для дальнейшего цикла работ, направленных на детальное изучение перехода к цветению при различных условиях.

Понимание процессов, связанных с зацветанием, важно не только с фундаментальной, но и с практической точки зрения, так как позволит управлять ими с целью повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, или наоборот, отключения цветения нежелательных растений, например, сорняков или аллергенов. Arabidopsisthaliana, хотя сам по себе не имеет экономической ценности, является одним из немногих хорошо изученных с генетической точки зрения растений. Тем не менее, функции многих его генов еще не известны или известны частично. Полученные нами новые данные о связи клеточного цикла с зацветанием закладывают основу для изучения этого процесса у других видов.