ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АДАПТАЦИИ: ВРЕМЯ НАЧАЛА ЦВЕТЕНИЯ И СТЕПЕНЬ ПОКОЯ СЕМЯН У ARABIDOPSIS THALIANA СЕВЕРНЫХ ПРИРОДНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ
Аннотация
Работа посвящена проблеме генетических основ адаптации растений. Изучены адаптивно-значимые признаки модельного вида Arabidopsis thaliana: потребность в яровизации, время начала цветения и сроки прорастания семян, у растений северных природных популяций (Карелия). Выявлены особенности экспрессии генов FLC и VIN3, контролирующих эти признаки. Установлен низкий уровень транскриптов мРНК FLC у неяровизированных растений на стадии розетки с последующим усилением экспрессии на 10 – 30 день яровизации, что отличается от данных других исследователей. Первоначально низкий уровень транскриптов мРНК VIN3 у неяровизированных растений, неожиданно повышается в некоторых популяциях в процессе яровизации на 20-й день, в отличие от данных литературы. Показано, что для массового перехода к цветению растений из популяций северной периферии ареала вида в бассейне Онежского озера, требуется более длительная (9-недельная) яровизация, по сравнению с растениями из более мягкого климата островов Ладоги (6 недель низких температур). Изучение степени покоя семян, влияющего на сроки их прорастания, показало, что в условиях холодного климата семена A. thaliana имеют более сильный покой при высокой летней температуре (22 ºС) по сравнению с прохладной температурой осени (10 ºС). Это обеспечивает их прорастание осенью и цветение весной, после окончания яровизации. Предполагается, что у Arabidopsis thaliana карельских популяций, расположенных на северной периферии ареала вида, одним из механизмов адаптации растений к холодному климату является адаптивная плейотропия, выражающаяся в особенностях экспрессии генов FLC и VIN3, контролирующих сроки прорастания семян осенью и цветения растений весной, после яровизации, что обеспечивает как выживание всходов, так и максимальный репродуктивный успех.
Ключевые слова
Полный текст:
PDFЛитература
Иванов В. И., Касьяненко А. Г., Санина А. В., Тимофеева-Ресовская Е. А. Краткая характеристика A. thaliana и некоторые сведения о его культивировании, технике скрещиваний и учете изменчивости // Генетика. 1966. № 8. С. 115–120.
Курбидаева А. С., Зарецкая М. В., Солтабаева А. Д., Новокрещенова М. Г., Куприянова Е. В., Федоренко О. М., Ежова Т. А. Генетические механизмы адаптации растений Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. к экстремальным условиям северной границы ареала // Генетика. 2013. Т. 49, № 8. С. 943–953. doi: 10.7868/S0016675813080092
Федоренко О. М., Грицких М. В., Николаевская Т. С.
Полиморфизм по времени начала цветения у Arabidopsis
thaliana (L.) Heynh. на северной границе его ареала // Труды КарНЦ РАН. 2012. № 2. С. 139–146.
Федоренко О. М., Топчиева Л. В., Зарецкая М. В., Лебедева О. Н. Динамика экспрессии FLC и VIN3 в процессе яровизации растений Arabidopsis thaliana северных природных популяций // Генетика. 2019. Т. 55, № 7. С. 811–818. doi: 10.1134/S0016675819060031
Adrian J., Torti S., Turck F. From decision to commitment:
the molecular memory of flowering // Mol. Plant. 2009. Vol. 2. P. 628–642.
Andrés F., Coupland G. The genetic basis of flowering responses to seasonal cues // Nature Rev. Genet. 2012. Vol. 13. P. 627–639. doi: 10.1038/nrg3291
Auge G. A., Blair L. K., Neville H., Donohue K. Maternal vernalization and vernalization-pathway genes influence progeny seed germination // New Phytologist. 2017. Vol. 216(2). P. 388–400. doi: 10.1111/nph.14520
Ausin L., Alonso-Blanco C., Martinez-Zapater J. M. Regulation of flowering time by FVE, a retinoblastoma-associated protein // Nat. Genet. 2004. Vol. 36. P. 162–166.
Chen M., MacGregor D. R., Dave A., Florance H., Moore K., Paszkiewicz K., Smirnoff N., Graham I. A., Penfield S. Maternal temperature history activates Flowering Locus T in fruits to control progeny dormancy according to time of year // PNAS. 2014. Vol. 111, no. 52. P. 18787–18792. doi: 10.1073/pnas.
Chen M., Penfield St. Feedback regulation of COOLAIR expression controls seed dormancy and flowering time // Science. 2018. Vol. 360. P. 1014–1017. doi: 10.1126/sience.aar7361
Chiang G. C. K., Barua D., Kramer E. M., Amasino R. M., Donohue K. Major flowering time gene, Flowering Locus C, regulates seed germination in Arabidopsis thaliana // PNAS. 2009. Vol. 106, no. 28. P. 11661–1666. doi: 10.1073/pnas.
Choi J., Hyun Y., Kang M. J., Yun H. I., Yun J.‑Y., Lister C., Dean C., Amasino R. M., Noh B., Noh Y.‑S., Choi Y. Resetting and regulation of Flowering Locus C expression during Arabidopsis reproductive development // Plant J. 2009. Vol. 57. P. 918–931. doi: 10.1111/j.1365-313X.2008.03776.x
Coustham V., Li P., Strange A., Lister C., Song J., Dean C. Quantitative modulation of polycomb silencing underlines natural variation in vernalization // Science. 2012. Vol. 337. P. 584–587. doi: 10.1126/science.1221881
Clarke J. H., Dean C. Mapping FRI, a locus controlling flowering time and vernalization response in Arabidopsis thaliana // Mol. Gen. Genet. 1994. Vol. 242. P. 81–89.
Duncan S., Holm S., Questa J., Irwin J., Grant A., Dean C. Seasonal shift in timing of vernalization as an adaptation to extreme winter // ELIFE. 2015. Vol. 23(4): e06620. doi: 10.7554/eLife.06620
English R., Pen I., Shea N., Uller T. The information value of non-genetic inheritance in plants and animals // PLoS ONE. 2015. Vol. 10(1): e0116996. doi: 10.1371/journal.pone.0116996
He Y., Michaels S. D., Amasino R. M. Regulation of flowering time by histone acetylation in Arabidopsis // Science. 2003. Vol. 302. P. 1751–1754. doi: 10.1126/science.1091109
Heo J. B., Sung S. Vernalization-mediated epigenetic silencing by a long intronic noncoding RNA // Science. 2011. Vol. 331. P. 76–79. doi: 10.1126/science.1197349
Jiang D., Wang Y., Wang Y., He Y. Repression of FLOWERING LOCUS C and FLOWERING LOCUS T by the Arabidopsis Polycomb Repressive Complex 2 components // PLoS ONE. 2008. Vol. 3(10): e3404. doi: 10.1371/journal.pone.0003404
Johanson U., West J., Lister C., Michaels S., Amasino R., Dean C. Molecular analysis of FRIGIDA, major determinant of natural variation in Arabidopsis flowering time // Science. 2000. Vol. 290. P. 344–347. doi:10.1126/science.290.5490.344
Kim D. H., Sung S. Coordination of the vernalization response through a VIN3 and FLC gene family regulatory network in Arabidopsis // Plant Cell. 2013. Vol. 25. P. 454–469. doi: 10.1105/tpc.112.104760
Lee I., Amasino R. M. Effect of vernalization, photoperiod and light quality on the flowering phenotype of Arabidopsis plants containing the FRIGIDA gene // Plant Physiol. 1995. Vol. 108. P. 157–162.
Lee J., Yun J. Y., Zhao W., Shen W.‑H., Amasino R. M. A methyltransferase required for proper timing of the vernalization response in Arabidopsis // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015. Vol. 112. P. 2269–2274. doi: 10.1073/pnas.1423585112
Livak K. J., Schmittgen T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2–ΔΔCt method // Methods. 2001. Vol. 25. P. 402–408. doi: 10.1006/meth.2001.1262
Kuittinen H., Sillanpää M. J., Savolainen O. Genetic basis of adaptation: flowering time in Arabidopsis thaliana // Theor. Appl. Genet. 1997. Vol. 95. P. 573–583.
Marshall D. J., Uller T. When is a maternal effect adaptive? // Oicos. 2007. Vol. 116. P. 1957–1963. doi: 10.1111/j.2007.0030-1299.16203.x
Saleh A., Alvarez-Venegas R., Avramova Z. Dynamic and stable histone H3 methylation patterns at the Arabidopsis FLC and AP1 loci // Gene. 2008. Vol. 423. P. 43–47. doi: 10.1016/j.gene.2008.06.022
Schmitz R. J., Amasino R. M. Vernalization: a model for investigating epigenetics and eukaryotic gene regulation in plants // Biochim. Biophys. Acta. 2007. No. 1769. P. 269–275. doi: 10.1016/j.bbaexp.2007.02.003
Sheldon C. C., Hills M. J., Lister C., Dean C., Dennis E. S., Peacock W. J. Resetting of FLOWERING LOCUS C expression after epigenetic repression by vernalization // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. Vol. 105. P. 2214–2219. doi: 10.1073/pnas.0711453105
Shindo C., Lister C., Crevillen P., Nordborg M., Dean C. Variation in the epigenetic silencing of FLC contributes to natural variation in Arabidopsis vernalization response // Genes & Development. 2006. Vol. 20. P. 3079–3083. doi: 10.1101/gad.405306
Sung S., Amasino R. M. Vernalization in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3 // Nature. 2004. Vol. 427. P. 159–164. doi: 10.1038/nature02195
References in English
Fedorenko O. M., Gritskikh M. V., Nikolaevskaya T. S. Polimorfizm po vremeni nachala tsveteniya u Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. na severnoi granitse ego areala [Polymorphism based on the onset of flowering in Arabidopsis thaliana (L.) Heynh. at the northern limit of the distribution range]. Trudy KarNTs RAN [Trans. KarRC RAS]. 2012. No. 2. P. 139–146.
Fedorenko O. M., Topchieva L. V., Zaretskaya M. V., Lebedeva O. N. Changes in FLC and VIN3 expression during vernalization of Arabidopsis thaliana plants from northern natural populations. Russ. J. Genetics. 2019. Vol. 55, no. 7. P. 865–818. doi: 10.1134/S1022795419060036
Ivanov V. I., Kas’yanenko A. G., Sanina A. V., Timofeeff-Ressovskaya E. A. Kratkaya kharakteristika A. thaliana i nekotorye svedeniya o ego kul’tivirovanii, tekhnike skreshchivanii i uchete izmenchivosti [A brief description of A. thaliana and some information about its cultivation,crossbreeding technique, and accounting for variability]. Genetika [Genetics]. 1966. No. 8. P. 115–120.
Kurbidaeva A. S., Zaretskaya M. V., Soltabaeva A. D., Novokreshchenova M. G., Kupriyanova E. V., Fedorenko O. M., Ezhova T. A. Genetic base of Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.: fitness of plants for extreme conditions in northern margins of species range. Rus. J. Genetics. 2013. No. 8. P. 819–826. doi: 10.1134/S1022795413080097
Adrian J., Torti S., Turck F. From decision to commitment: the molecular memory of flowering. Mol. Plant. 2009. Vol. 2. P. 628–642.
Andrés F., Coupland G. The genetic basis of flowering responses to seasonal cues. Nature Rev. Genet. 2012. Vol. 13. P. 627–639. doi: 10.1038/nrg3291
Auge G. A., Blair L. K., Neville H., Donohue K. Maternal vernalization and vernalization-pathway genes influence progeny seed germination. New Phytologist. 2017. Vol. 216(2). P. 388–400. doi: 10.1111/nph.14520
Ausin L., Alonso-Blanco C., Martinez-Zapater J. M. Regulation of flowering time by FVE, a retinoblastoma-associated protein. Nat. Genet. 2004. Vol. 36. P. 162–166.
Chen M., MacGregor D. R., Dave A., Florance H., Moore K., Paszkiewicz K., Smirnoff N., Graham I. A., Penfield S. Maternal temperature history activates Flowering Locus T in fruits to control progeny dormancy according to time of year. PNAS. 2014. Vol. 111, no. 52. P. 18787–18792. doi: 10.1073/pnas.1412274111
Chen M., Penfield St. Feedback regulation of COOLAIR expression controls seed dormancy and flowering time. Science. 2018. Vol. 360. P. 1014–1017. doi: 10.1126/sience.aar7361
Chiang G. C. K., Barua D., Kramer E. M., Amasino R. M., Donohue K. Major flowering time gene, Flowering Locus C, regulates seed germination in Arabidopsis thaliana. PNAS. 2009. Vol. 106, no. 28. P. 11661–1666. doi: 10.1073/pnas.090367106
Choi J., Hyun Y., Kang M. J., Yun H. I., Yun J.‑Y., Lister C., Dean C., Amasino R. M., Noh B., Noh Y.‑S., Choi Y. Resetting and regulation of Flowering Locus C expression during Arabidopsis reproductive development. Plant J. 2009. Vol. 57. P. 918–931. doi: 10.1111/j.1365-313X.2008.03776.x
Coustham V., Li P., Strange A., Lister C., Song J., Dean C. Quantitative modulation of polycomb silencing underlines natural variation in vernalization. Science. 2012. Vol. 337. P. 584–587. doi: 10.1126/science.1221881
Clarke J. H., Dean C. Mapping FRI, a locus controlling flowering time and vernalization response in Arabidopsis thaliana. Mol. Gen. Genet. 1994. Vol. 242. P. 81–89.
Duncan S., Holm S., Questa J., Irwin J., Grant A., Dean C. Seasonal shift in timing of vernalization as an adaptation to extreme winter. ELIFE. 2015. Vol. 23(4):e06620. doi: 10.7554/eLife. 06620
English R., Pen I., Shea N., Uller T. The information value of non-genetic inheritance in plants and animals. PLoS ONE. 2015. Vol. 10(1): e0116996. doi: 10.1371/journal.pone.0116996
He Y., Michaels S. D., Amasino R. M. Regulation of flowering time by histone acetylation in Arabidopsis. Science. 2003. Vol. 302. P. 1751–1754. doi: 10.1126/science.1091109
Heo J. B., Sung S. Vernalization-mediated epigenetic silencing by a long intronic noncoding RNA. Science. 2011. Vol. 331. P. 76–79. doi: 10.1126/science.1197349
Jiang D., Wang Y., Wang Y., He Y. Repression of FLOWERING LOCUS C and FLOWERING LOCUS T by the Arabidopsis Polycomb Repressive Complex 2 components. PLoS ONE. 2008. Vol. 3(10): e3404. doi: 10.1371/journal.pone.0003404
Johanson U., West J., Lister C., Michaels S., Amasino R., Dean C. Molecular analysis of FRIGIDA, major determinant of natural variation in Arabidopsis flowering time. Science. 2000. Vol. 290. P. 344–347. doi:10.1126/science.290.5490.344
Kim D. H., Sung S. Coordination of the vernalization response through a VIN3 and FLC gene family regulatory network in Arabidopsis. Plant Cell. 2013. Vol. 25. P. 454–469. doi: 10.1105/tpc.112.104760
Lee I., Amasino R. M. Effect of vernalization, photoperiod and light quality on the flowering phenotype of Arabidopsis plants containing the FRIGIDA gene. Plant Physiol. 1995. Vol. 108. P. 157–162.
Lee J., Yun J. Y., Zhao W., Shen W.‑H., Amasino R. M. A methyltransferase required for proper timing of the vernalization response in Arabidopsis. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2015. Vol. 112. P. 2269–2274. doi: 10.1073/pnas.1423585112
Livak K. J., Schmittgen T. D. Analysis of relative gene expression data using real-time quantitative PCR and the 2–ΔΔCt method. Methods. 2001. Vol. 25. P. 402–408. doi: 10.1006/meth.2001.1262
Kuittinen H., Sillanpää M. J., Savolainen O. Genetic basis of adaptation: flowering time in Arabidopsis thaliana. Theor. Appl. Genet. 1997. Vol. 95. P. 573–583.
Marshall D. J., Uller T. When is a maternal effect adaptive? Oicos. 2007. Vol. 116. P. 1957–1963. doi: 10.1111/j.2007.0030-1299.16203.x
Saleh A., Alvarez-Venegas R., Avramova Z. Dynamic and stable histone H3 methylation patterns at the Arabidopsis FLC and AP1 loci. Gene. 2008. Vol. 423. P. 43–47. doi: 10.1016/j.gene.2008.06.022
Schmitz R. J., Amasino R. M. Vernalization: a model for investigating epigenetics and eukaryotic gene regulation in plants. Biochim. Biophys. Acta. 2007. No. 1769. P. 269–275. doi: 10.1016/j.bbaexp.2007.02.003
Sheldon C. C., Hills M. J., Lister C., Dean C., Dennis E. S., Peacock W. J. Resetting of FLOWERING LOCUS C expression after epigenetic repression by vernalization. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008. Vol. 105. P. 2214–2219. doi: 10.1073/pnas.0711453105
Shindo C., Lister C., Crevillen P., Nordborg M., Dean C. Variation in the epigenetic silencing of FLC contributes to natural variation in Arabidopsis vernalization response. Genes & Development. 2006. Vol. 20. P. 3079–3083. doi: 10.1101/gad.405306
Sung S., Amasino R. M. Vernalization in Arabidopsis thaliana is mediated by the PHD finger protein VIN3. Nature. 2004. Vol. 427. P. 159–164. doi: 10.1038/nature02195
DOI: http://dx.doi.org/10.17076/eb1218
Ссылки
- На текущий момент ссылки отсутствуют.
© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019