Генетические и эпигенетические механизмы адаптации растений (на примере модельного вида ARABIDOPSIS THALIANA)

Ольга Михайловна Федоренко, Марина Витальевна Зарецкая, Ольга Николаевна Лебедева, Olga Fedorenko, Marina Zaretskaya, Olga Lebedeva

Аннотация


Представленный обзор публикаций посвящен исследованию генетических и эпигенетических основ процессов адаптации живых организмов, в частности, растений. Большой интерес к данной теме объясняется ее значением в понимании эволюционных изменений и механизмов сохранения популяций и видов. В статье рассматриваются вопросы генетического контроля адаптивно-значимых признаков растений (времени начала цветения и периода покоя семян) и эпигенетические механизмы регуляции активности генов, отвечающих за процессы адаптации на примере модельного вида Arabidopsis thaliana. Описаны различные стратегии жизненных циклов растений, основанные на сроках прорастания семян и времени начала цветения, адаптивная ценность которых может варьировать в зависимости от климата. Предполагается, что такая неоднородность жизненных стратегий является своеобразной формой страхования популяций от риска вымирания. Анализ литературных данных позволил нам выделить три канонических гена – FLC, FT, DOG1, описанных исследователями как ключевые в контроле адаптивно-значимых признаков растений, и рассмотреть механизмы регуляции их активности в различных условиях среды. В обзоре представлены молекулярные механизмы, координирующие активность генов на транскрипционном уровне: хроматиновые модификации, метилирование гистонов, участие микроРНК (miRNA) и длинных некодирующих антисмысловых РНК (lincRNA) в подавлении экспрессии генов, альтернативный сплайсинг, альтернативное полиаденилирование, активация экспрессии генов с помощью фактора транскрипции bZIP и некоторые другие. Установлено, что одним из важных механизмов адаптации является адаптивная плейотропия, предполагая, что покой и цветение могут координировано регулироваться через перекрывающиеся молекулярные пути.


Ключевые слова


адаптация; эпигенетика; Arabidopsis thaliana; покой семян; время начала цветения; транскрипционная активность генов FLC, FT, DOG1.

Полный текст:

PDF

Литература


Лутова Л. А. Морфогенез растений и экспрессия основных регуляторных генов на примере развития цветка //Экологическая генетика. 2005. Т. 3, № 4. С. 26–37.

Медведев С. С., Шарова Е. И. Генетическая и эпигенетическая регуляция развития растительных организмов (обзор) // Журнал Сибирского федерального университета. Биология 2. 2010. № 3.

С. 109–129.

Чжицян Я., Давэй Л., Хен Л., Гочан Ч. FLC: ключевой регулятор времени зацветания у Arabidopsis // Физиология растений. 2010. Т. 57, № 2. С. 177–185.

Adrian J., Torti S., Turck F. From decision to commitment: the molecular memory of flowering // Mol. Plant. 2009. Vol. 2 (4). P. 628–642. doi: 10.1093/mp/ssp031

Alonso-Blanco C., Blankestijn-de Vries H., Hanhart C. J., Koornneef M. Natural allelic variation at seed size loci in relation to other life history traits of Arabidopsis thaliana // PNAS. 1999. Vol. 96 (8). P. 4710–4717. doi: 10.1073/pnas.96.8.4710

Amasino R. 2004. Vernalization, competence, and the epigenetic memory of winter // Plant Cell. 2004. Vol. 16. P. 2553–2559. doi: 10.1105/tpc.104.161070

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., Blair L. K., Neville H., Donohue K. Maternal

vernalization and vernalization-pathway genes influence

progeny seed germination // New Phytol. 2017. Vol. 216 (2). P. 388–400. doi: 10.1111/nph.14520

Auge G., Blair L. K., Karediya A., Donohue K. The

autonomous flowering-time pathway pleiotropically

regulates seed germination in Arabidopsis thaliana // Annals of Botany. 2018. Vol. 121 (1). P. 183–191. doi: 10.1093/aob/mcx132

Ausin L., Alonso-Blanco C., Martinez-Zapater

J. M. Regulation of flowering time by FVE, a retinoblastomaassociated protein // Nat. Genet. 2004. Vol. 36.

P. 162–166. doi: 10.1038/ng1295

Baskin C. C., Baskin J. M. Seeds: ecology, biogeography,

and evolution of dormancy and germination. San

Diego, California: Academic Press, 1998. 1573 p. doi: 10.2307/176683

Bentsink L., Hanson J., Hanhart C. J., de Vries H. B.,

Coltrane C., Keizer P., El-Lithy M., Alonso-Blanco C.,

de Andres M. T., Reymond M. Natural variation for seed

dormancy in Arabidopsis is regulated by additive genetic

and molecular pathways // PNAS. 2010. Vol. 107 (9). P. 4264–4269. doi: 10.1073/pnas.1000410107

Berry S., Dean C. Environmental perception and epigene tic memory: mechanistic insight through FLC

// Plant J. 2015. Vol. 83. P. 133–148. doi: 10.1111/tpj.12869

Boss P. K., Bastow R. M., Mylne J. S., Dean C. Multiple

pathways in the decision to flower: enabling, promoting and resetting // Plant Cell. 2004. Vol. 16. P. 18–31. doi: 10.1105/tpc.015958

Bryant F. M., Hughes D., Hassani-Pak K., Eastmond P. J. Basic LEUCINE ZIPPER TRANSCRIPTION FACTOR67 transactivates DELAY OF GERMINATION1 to establish primary seed dormancy in Arabidopsis // Plant Cell. 2019. Vol. 31 (6). P. 1276–1288. doi: 10.1105/ tpc.18.00892

Carrillo-Barral N., Rodríguez-Gacio M., Matilla A. J. DELAY OF GERMINATION-1 (DOG1): a key to understanding seed dormancy // Plants. 2020. Vol. 9 (4).P.480–500.doi:10.3390/plants9040480

Chen M., MacGregor D. R., Dave A., Florance H., Moore K., Paszkiewicz K., Smirnoff N., Graham I. A., Penfield St. Maternal temperature history activates Flowering Locus T in fruits to control progeny dormancy according to time of year // PNAS. 2014. Vol. 111 (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

Chen N., Wang H., Abdelmageed H., Veerappan V.,Tadege M., Allen R. D. HSI2/VAL1 and HSL1/VAL2 function redundantly to repress DOG1 expression in Arabidopsis seeds and seedlings // New Phytol. 2020. Vol. 227 (3). P. 840–856. doi:10.1111/nph.16559




DOI: http://dx.doi.org/10.17076/eb1459

Ссылки

  • На текущий момент ссылки отсутствуют.


© Труды КарНЦ РАН, 2014-2019