Новая теория гетерозиса. Концепция аллельного и неаллельного механизма возникновения гетерозиса

Новая теория гетерозиса

Концепция аллельного и неаллельного механизма возникновения гетерозиса

Сергей Хаблак

© Сергей Хаблак, 2019

ISBN 978-5-4496-2579-3

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

ВВЕДЕНИЕ

Гетерозис представляет собой сложное и весьма важное для эволюции и селекции явление увеличения мощности, жизнеспособности и продуктивности гибридов первого поколения (F) по сравнению с родительскими формами. Понятие о гетерозисе впервые вел в науку американский генетик В. Шелл в 1914 г. 1

В последние годы гетерозис установлен для многих растений, животных и микроорганизмов. Однако вопрос о механизме гетерозиса до сих пор остается нерешенной проблемой генетики.

В настоящее время объяснение причин гетерозиса сводится к двум основным гипотезам – доминирования и сверхдоминирования. По гипотезе доминирования гетерозис связан с тремя эффектами действия доминантных генов: подавлением ими вредных рецессивных аллелей, аддитивным эффектом и неаллельным комплементарным взаимодействием. Гипотеза сверхдоминирования объясняет эффект гетерозиса взаимодействием между доминантными и рецессивными аллелями одного гена. К сожалению, к настоящему времени ни одна из этих двух гипотез не может полно объяснить природу явления гетерозиса.

В книге изложена новая теория аллельного и неаллельного механизма возникновения гетерозиса, согласно которой преимущество гибридов Fнад родительскими формами обусловлено различными видами аллельного и неаллельного взаимодействия генов, при котором создается лучшее сочетание генов, обусловливающее оптимальное выражение хозяйственно-ценного признака. При этом возникновение гетерозиса у гибридов F вызвано целым рядом эффектов генов. Из которых, часть эффектов связаны с аллельным взаимодействием генов: подавлением доминантными генами рецессивных аллелей, кодоминированием (смесь действия обоих аллелей одной аллельной пары). Другие эффекты определены межгенным взаимодействием генов: аддитивным полимерным действием, неаллельным комплементарным взаимодействием, эпистазом и модифицирующим действием. В связи с тем, что в механизме проявления гетерозиса наблюдаются практически все формы межгенного неаллельного и аллельного взаимодействия генов, природу это явление до сих пор было трудно объяснить. 1 1

Рассмотрен вопрос о закреплении гетерозиса у растений-самоопылителей в последующих поколениях. Определены гены, которые в гетерозиготном состоянии вызывают преимущество гибридов F над родительскими формами. 1

Обобщены лишь некоторые, наиболее актуальные сведения, касающиеся влияния сигнальной системы регуляции развития растения на взаимодействие генов при наследовании признаков. На основании полученных результатов показано, что при наследовании признаков, которые контролируются генами, отвечающими за определенные звенья сигнальной цепи, наблюдаются все основные формы взаимодействия генов.

ГЛАВА 1

ВЗАИМОСВЯЗЬ СИГНАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ РАСТЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕНОВ ПРИ НАСЛЕДОВАНИИ ПРИЗНАКОВ

1.1. СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, В КОТОРЫХ ФУНКЦИЮ СЕНСОРА ДЛЯ ЦИТОКИНИНОВ И ЭТИЛЕНА ВЫПОЛНЯЮТ РЕЦЕПТОРНЫЕ ГИСТИДИНКИНАЗЫ

В последние годы благодаря стремительно развивающимся исследованиям молекулярных механизмов регуляции экспрессии генов становится все более ясным, что проблема механизма взаимодействия генов тесно связана с сигнальной системой клеток (Хаблак, Парий, 2013; Инге-Вечтомов, 2000). В клетках растений было обнаружено существование сигнальных цепей, которые с помощью специальных белков-рецепторов, в большинстве случаев расположенных в плазмалемме, воспринимают сигнальные импульсы, преобразуют, усиливают и передают их в геном клетки, вызывая репрограммирование экспрессии генов и изменения в обмене веществ (в том числе кординальные), связанные с включением ранее «молчавших» и выключением некоторых активных генов (Тарчевский, 2002).

В последнее десятилетие идут по нарастающей достижения в области изучения генома растений, выделения генов, ответственных за определенные этапы роста, развития, старения растений, их ответа на стрессовые воздействия и патогены. Выделены гены, контролирующие регуляторные системы растений, начиная от рецепторных белков и кончая генами факторов, определяющих включение определенных генетических программ (Кулаева, 2000).

В настоящее время интенсивно исследуются МАР-киназная, аденилатциказная, фосфатидатная, кальциевая, липоксигеназная, НАДФН-оксидазная, NO-синтазная и протонная сигнальные системы и их роль в онтогенетическом развитии растений (Тарчевский, 2002).

За последние годы достигнут значительный прогресс в изучении хемосигнальных систем растений, через посредство которых фитогормоны осуществляют регуляцию широкого спектра биохимических и физиологических процессов в растительной клетке (Шпаков, 2009).

В последнее время становится все более понятным, что процесс морфогенеза – результат функционирования многих генов, которые могут взаимодействовать разным образом или действовать независимо. Работа многих генов контролируется внешними и внутренними сигналами, среди которых важнейшими являются фитогормональные. Действие фитогормонов, их способность регулировать экспрессию генов опосредована функционированием сигнальных путей. Гены, кодирующие компоненты сигнальных путей, также находятся под сложным генетическим контролем растения в соответствии с внешними и внутренними условиями. Синтез самих фитогормонов, которые запускают сигнальные пути, также регулируется многими генами (Циганкова и др., 2005).

Большую роль в раскрытии функций фитогормонов сыграло изучение взаимодействия между генной и гормональной регуляцией роста у карликовых мутантов различных видов растений (Муромцев, Агнистикова, 1973; Чайлахян и др., 1977). Показано, что возможность образования каждого из фитогормонов регулируется экспрессией определенных генов (Кулаева, 1978; Шпаков, 2009).

К настоящему времени определены некоторые ключевые гены, содержащие промоторы, чувствительные и специфические к фитогормонам, свету и другим факторам, и контролирующие многие важные процессы и этапы жизнедеятельности растений (фотосинтез, фотоморфогенез, формирование листьев, цветков, азотфиксация, эмбриогенез, старение и так далее) (Шестаков, 1998; Инге-Вечтомов, 2000).

Достигнуты успехи в изучении путей биосинтеза некоторых классов фитогормонов, механизма их действия на молекулярном уровне (McCourt, 1999; Kevin et al., 2002; Новикова и др., 2009; Романов, 2009). С помощью молекулярно-генетических методов определены отдельные гены, контролирующие регуляторные белки-ферменты, участвующие в каскадном механизме регуляции этапов синтеза фитогормонов (Романов, Медведев, 2006; Шемаров, 2006).

Частично изучены пути передачи сигналов от фитогормонов по цепи: рецепторы – вторичные мессенджеры – специфические гены. В общих чертах исследованы механизмы сигнальных взаимодействий между разными классами фитогормонов и установлена их физиологическая роль в регуляции онтогенетических стадий развития растений (как эмбриональной, так и постэмбриональной). Раскрыто участие фитогормонов в фотоморфогенетических процессах, в повышении устойчивости растений к неблагоприятным факторам окружающей среды и к патогенам (Цыганкова и др., 2005).

За последнее время накоплено много экспериментальных данных об молекулярных принципах биологического ответа, которые позволяют по новому подойти к пониманию механизма, посредством которого происходит взаимодействие генов при наследовании признаков.

Как известно, для восприятия генерируемых фитогормонами сигналов и их преобразования в конечный ответ клетки растения используют различные по своей структурно-функциональной организации хемосигнальные системы (Шпаков, 2009). В настоящее время у растений хорошо исследованы двухкомпонентные сигнальные системы, в которых функцию сенсора выполняют как рецепторные гистидинкиназы, так и серин-треониновые потеинкиназы. Через посредство рецепторных гистидинкиназ свои регуляторные эффекты реализуют этилен и цитокинины. У и риса () выявлено три семейства рецепторных гистидинкиназ, первое из которых включает в себя рецепторы этилена, второе – фоторецепторы, в то время как третье объединяет гистидинкиназы АНК-семейства, включающие в себя цитокининовые рецепторы и осмосенсорные гистидинкиназы (Нwang et al., 2002). A. thaliana Oryza sativa

Исследования последних лет ознаменовали значительный прогресс в понимании процессов сигнализации и биосинтеза цитокининов. Эти достижения стали возможны благодаря полной расшифровке первого растительного генома (у) и получению мутантов с подавленными эффектами цитокининов (Романов, 2008). Молекулярно-генетические и физиологические исследования этих мутантов позволило изолировать и секвенировать у арабидопсиса гены биосинтеза (), инактивации и сигнализации фитогормонов этого класса (,и) (Nishimura et al., 2004)  Arabidopsis thaliana AtIPT1 – AtIPT9 AHK2 AHK3  AHK4/CRE1 .

Сравнительно недавно у арабидопсиса было найдено три гена (, и ), кодирующих сенсорные гистидинкиназы AНK2, AНK3 и CRE1//AНK4, которые являются мембранными рецепторами цитокининов (Riefler et al., 2006). Мутации и в этих генахобусловливают у растений инактивирование функций мембранных рецепторовгистидинкиназ AНK2, AНK3 и CRE1//AНK4. В результате чего у мутантных растений арабидопсиса снижается чувствительность клеток к цитокининам и гены первичного ответа перестают отзываться на эти гормоны (Higuchi et al., 2004). AНK2 AНK3 CRE1/WOL1/AНK4 WOL1 ahk2—5, ahk3—7  wol-1  WOL1

Созданные двойные и тройные мутанты по генам рецепторов цитокининов (и) позволили уточнить роль отдельных рецепторов для тех или иных физиологических процессов. В результате в ходе развития растения был выявлен ряд новых регулируемых цитокинином процессов (Романов, 2008). AHK2, AHK3  AHK4/CRE1

Т. Мицуно с сотрудниками доказали, что сенсорные гистидинкиназы AНK2, AНK3 и CRE1//AНK4 являются рецепторами цитокининов. В результате изящно спланированных и осуществленных экспериментов получены неопровержимые доказательства участия в передаче цитокининового сигнала мембранных рецепторов AНK2, AНK3 и CRE1//AНK4 и других белков, имеющих отношение к биокомпонентной регуляторной системе, в частности, RR белков В-типа, обладающих функцией транскрипционных факторов (Suzuki et al., 2001). WOL1 A. thaliana WOL1

В лабораториях Дж. Кибера (США) и Т. Сугиямы (Япония) у арабидопсиса и кукурузы были обнаружены гены, напрямую активирующиеся цитокинином. Одним из первых обнаруженных цитокинин-чувствительных генов был ген так называемого регулятора ответа, получивший название (Taniguchi et al., 1998). ARR5

В настоящее время считается общепринятым, что содержит три близких по строению сенсорных гистидинкиназы – рецепторов цитокининов: CRE1/AНK4, AНK2 и AНK3. Эти рецепторные гистидинкиназы являются интегральными белками, пронизывающими плазматическую мембрану 2 (AНK4) или 3 (AНK2 и AНK3) раза (Wulfetange et al., 2011). A. thaliana

По своей структуре сенсорные гистидинкиназы относятся к белкам так называемой двухкомпонентной системы передачи сигналов. Такие системы трансдукции сигналов основательно изучены у бактерий, где они широко представлены (Pareek et al., 2006).

В своем классическом виде двухкомпонентная система состоит из сенсорной гистидинкиназы (рецептор) и регуляторного ответа (транскрипционный фактор). Под влиянием специфического сигнала рецептор димеризуется, фосфорилируется и далее передает свой «горячий» фосфат на остаток аспартата регулятора ответа. Последний обладает ДНК-связывающим доменом, с помощью которого соединяется в результате активации с определенной последовательностью ДНК в составе промотора и активирует или, наоборот, репрессирует соответствующий ген (Heyl, 2003).

Сходные по структуре рецепторы цитокининов обнаружены у эволюционно далеких от арабидопсиса видов: кукуруза и рис. У всех изученных растений рецепторы цитокининов представляют собой AНK-семейство близкородственных белков – мембранных гистидинкиназ, подобных сенсорным гистидинкиназам одноклеточных организмов. Отличаются эти белки-рецепторы между собой у разных видов растений числом трансмембранных сегментов, содействующих с CHASE-доменом (cyclase histidine kinase-assiciated sensing extracellular), который отвечает за узнавание и связывание цитокининов (Yonekura-Sakakibara et al., 2004).

Достижения последних лет позволяют лучше представить молекулярные механизмы, благодаря которым цитокинины реализуют свое физиологическое действие в растении. На примере модельного растения арабидопсиса установлено, что магистральным путем восприятия цитокининового сигнала клеткой является путь с участием мембранных гистидинкиназ как рецепторов двухкомпонентной системы для трансдукции сигналов на ограниченный спектр генов первичного ответа (Романов, 2009).

В геноме такжеобнаружено пять генов (, , , и ),кодирующих сенсорные гистидинкиназы, которые являются рецепторами для этилена. Эти генывходят в состав небольшого генного семейства белков-рецепторов этиленового сигнала (Liu et al., 2010). A. thaliana ETR1 ETR2 EIN4 ERS1 ERS2

Рецепторные гистидинкиназы ETR1, ETR2, EIN4, ERS1 и ERS2 состоят из связывающегося этилен интегрального домена, содержащего три трансмембранных участка, а также расположенного в цитоплазме GAF-домена, ответственного за образование межмолекулярных комплексов, и гистидинкиназного домена. Белки-рецепторы ETR1, ETR2, EIN4, ERS1 и ERS2 также имеет значительный по размеру С-концевой воспринимающий домен, который является типичным функциональным модулем в рецепторных гистидинкиназах бактерий и служит для осуществления реакции трансфосфорилирования. В рецепторах ETR1, ETR2, EIN4, ERS1 и ERS2 гистидинкиназный домен обладает ферментативной активностью (Hua et al., 1995).

Мутациипо генам и вызывают повреждения мембранных рецепторов, через которые проявляется реакция растений на этилен. Обработка этиленом этих мутантных растений не дает типичного ответа проростков на С2Н4: у них в отличие от дикого типа не происходит прекращение роста стебля, его утолщение и подавления роста корня. Этилен не вызывает у данных мутантов активацию этиленчувствительных генов (Qu et al., 2007). ETR1, ETR2, EIN4, ERS1  ERS2

Пути восприятия этилена в растении продублированы несколькими рецепторами, поэтому получить полностью нечувствительные к нему растения достаточно трудно. Для этого необходимо, чтобы растение оказалось мутантным по 4—5 генным локусам одновременно (Moussatche, Klee, 2004).

Генетические исследования показали, что у  за рецепторными белками ERS1, ERS2, EIN4, ETR1 и ETR2в системе передачи этиленового сигнала расположен белок CTR1 (репрессор передачи сигнала), контролируемый геном , который блокирует в норме прохождение сигнала. Репрессорный белок ETR1 находится в комплексе с мембранными рецепторами ERS1, ERS2, EIN4, ETR1 и ETR2 (Yoo et al., 2008). Мутация по гену приводит к морфологическим изменениям у арабидопсиса, которые могли бы возникнуть при постоянном включении этиленовой программы. Этот белок репрессирует этиленовые программы у дикого типа (Ikeda et al., 2009). A. thaliana CTR1 ctr1—1  CTR1

Изучение первичной структуры (аминокислотной последовательности) белка CTR1 показало его принадлежность к семейству широко распространенных у эукариот серин/треониновых протеинкиназ, участвующих в так называемом МАР-киназном каскаде (МАР от англ. mitogen activated protein), в котором последовательно одна киназа фосфорилирует другую и тем самым активирует ее для фосфорилирования следующей протеинкиназы в цепи передачи сигнала на белки хроматина (Etheridge et al., 2005).

Ближайшим мессенжером в передачи этиленового сигнала внутрь ядра клетки является мембранный белок EIN2, расположенный в ядерной мембране, который кодируется геном (An et al., 2010)Предполагается, что в отсутствие этилена рецепторные гистидинкиназы, связывающие его, стимулируют CTR1-белок, представляющий собой RAF-подобную протеинкиназу, которая в активном состоянии является неактивным регулятором каскада митогенактивируемых протеинкиназ. Связывание этилена с рецепторной гистидинкиназой нарушает ее взаимодействие с CTR1-белком, что ведет к снятию ингибирующего влияния CTR1-белка на каскад митогенактивируемых протеинкиназ. В результате активируется зависимый от этого каскада EIN2-белок, локализованный в ядерной мембране, и функционально связанные с ним факторы транскрипции EIN3 и EIL1, которые регулируют экспрессию генов, определяющих ответ клетки на действие этилена (Shibuya et al., 2004). EIN2 .

Мутация в гене обусловливает у растений дефекты в ядерном мембранном белке EIN2, который воспринимает этиленовый сигнал от вторичных посредников и передает его внутрь ядра клетки к эффекторным белкам, ответственным за транскрипцию определенных генов. Это приводит у мутантных растений, в конечном счете, к подавлению генетических программ, обеспечивающих специфический ответ на этилен растений (Muday et al., 2006). EIN2

1.2. СИГНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ, ВКЛЮЧАЮЩИЕ В СЕБЯ В КАЧЕСТВЕ СОПРЯГАЮЩЕГОСЯ КОМПОНЕНТА ГЕТЕРОТРИМЕРНЫЕ ГТФ-СВЯЗЫВАЮЩИЕ БЕЛКИ (G-БЕЛКИ)

У многоклеточных и одноклеточных эукариот широко распространены хемосигнальные системы, в которых функцию сопрягающего компонента между опознающим внешний сигнал рецептором серпантинного типа и эффекторным белком, ответственным за конечный ответ клетки, выполняет гетеротримерный G-белок. Однако еще сравнительно недавно считали, что у растений такие системы отсутствуют. Открытия последних лет заставили кардинально пересмотреть эту точку зрения. В настоящее время сопряженные с G-белками сигнальные системы и их компоненты обнаружены у нескольких видов растений. В наибольшей степени такие системы изучены у и гороха (), в геноме которых выявлены гены, кодирующие рецепторы серпантинного типа, гетеротримерные G-бели и регуляторные RGS-белки, являющиеся функциональными блоками сопряженных с G-белками сигнальных систем (Шпаков, 2009). A. thaliana Pisym sativum

В геноме обнаружены гены, которые кодируют субъединицы, формирующие молекулу гетеротримерного G-белка: одну Gα- (GPA1), одну Gβ- (AGB1) и две Gγ-субъединицы (AGG1 и AGG1). Ген контролирует альфа-субъединицу гетеротримерных ГТФ-связывающих белков (G-белки), содержащих альфа (AtGPA1), бета (AGB1) и гамма (AGG) субъединицы. Продукт гена участвует в передаче фитогормонального сигнала с активированного гормоном рецептора к факторам транскрипции, которые регулируют экспрессию генов в растении (Ullah et al., 2002). A. thaliana GPA1 GPA1

Ген кодирует бета-субъединицу гетеротримерных ГТФ-связывающих белков. Белок гена выполняет функцию подавления передачи гормонального сигнала к эффекторным белкам, которые инициируют или подавляют транскрипцию определенных генов, что влечет за собой включение или выключение определенных физиологических и генетических программ развития растения (Borner et al., 2002). AGP1 AGP1

У многих растений выявлены G-белки и установлена их роль в регуляции важнейших физиологических и биохимических процессов (Chen et al., 2011). Эти данные указывают на то, что и у большинства (если не у всех) растений имеются сопряженные с G-белками сигнальные системы, активируемые фитогормонами (Шпаков, 2009).

Гетеротримерные ГТФ-связывающие белки соединены с мембранными рецепторами GPCR (англ. G protein-coupled receptors), которые в своем строении имеют 7 трансмембраннных доменов, в результате этого они получили название 7 ТМ-рецепторы (от Seven Transmembrane Receptor), семиспиральные рецепторы, или серпентины. Семиспиральные рецепторы, сопряженные с G белками, составляют большое семейство трансмембранных рецепторов. GPCR рецепторы выполняют функцию активаторов внутриклеточных путей передачи сигнала, приводящими в итоге к клеточному ответу. Рецепторы этого семейства обнаружены только в клетках эукариот: у дрожжей, растений, хоанофлагеллят и животных (Pandey, Assmann, 2004).

У также имеется более 50 генов, кодирующих белки, которые по структурной организации сходны с рецепторами серпантинного типа животных и грибов и, следовательно, могут выполнять их функции. Большинство этих белков обладают высокой гомологией по отношению к однородным рецепторам позвоночных животных. В структуре восьми из них идентифицированы участки, которые включают в себя молекулярные детерминанты, ответственные за функциональное взаимодействие с гетеротримерными G-белками (Gookin et al., 2008). A. thaliana

Первым среди рецепторов серпантинного типа у был изучен рецептор GCR1, который обладает гомологией первичной структуры по отношению как к цАМФ-рецепторам амебы (23—25% идентичности), так и к рецепторам кальцитонина и серотонина позвоночных животных (Plakidou-Dymock et al., 1998). Показано, что GCR1 взаимодействует с α-субъединицей (GPA1) гетеротримерного G-белка, причем ключевую роль в этом взаимодействии, как и в большинстве других рецепторов серпантинного типа, играют его вторая и третья цитоплазматические петли (Pandey, Assmann, 2004). A. thaliana Dictyostelium discoideum

1.3. ТРАНСКРИПЦИОННЫЕ ФАКТОРЫ

Непосредственный контроль над развитием органов и тканей растений осуществляется транскрипционными факторами-белками, которые после перемещения в ядро клетки регулируют транскрипцию, специфически взаимодействуя с ДНК либо с другими белками, которые могут образовывать комплекс белок-ДНК. В настоящее время у арабидопсиса установлены более 1800 генов, кодирующих белки-регуляторы транскрипции, которые обычно классифицируют по строению ДНК-связывающих доменов (Медведев, Шарова, 2010). Вчастности, ген у является геном-регулятором (переключателем) развития корневой системы, который детерминирует процессы роста и дифференцировки клеток корня. Он кодирует транскрипционный фактор (белок), регулирующий активность верхушечной меристемы корня (Levesque et al., 2006). SHR1 A. thaliana

Ген контролирует генетическую программу формирования корня и его тканей, обеспечивая включение или выключение определенных генов в нужный момент развития растения. Действуя в соответствии с генетической программой или в ответ на внешние воздействия, белок SHR инициирует или подавляет транскрипцию определенных генов, что влечет за собой изменения в клеточной морфологии, клеточной дифференциации и морфогенезе корня (Welch et al., 2007). SHR1

В результате мутации гена апикальная меристема на главном корне в зоне деления теряет свою способность к активному делению и образованию новых клеток, то есть утрачивает меристематическую активность (Helariutta et al., 2000). Кроме этого, мутация  в гене приводит к потере в корне самого внутреннего слоя первичной коры – эндодермы, а также к уменьшению размеров клеток центрального цилиндра (Nakajima et al., 2001). shr-1  SHR1 shr-1 SHR1

Белок гена принадлежит к  семейству транскрипционных факторов, которое включает более 30 белков, участвующих в регуляции развития корня и побегов, в ответных реакциях на гиббереллины, в передаче фитогормонного сигнала. Кроме белка SHR (short root), к семейству транскрипционных факторов относятся такие белки, как GAI (gibberellic acid insensitive), PAT1 (phytochrome A signal transduction), RGA1 (repressor of GA1), SCR (SCARECROW) и другие (Sena et al., 2004). SHR1 GRAS GRAS

Ген () выполняет аналогичную роль в корневой системе растения, как и ген . Наряду с геном ген регулирует функционирование апикальной меристемы корня, сохраняя при этом способность инициальных клеток к активному делению и образованию новых клеток (Sabatini et al., 2003). SCARECROW1 SСR1 SHR1 SHR1 SСR1

Мутация по гену вызывает у растений в зоне деления главного корня дезорганизацию покоящегося центра и потерю меристематической активности инициальных клеток. Это приводит к истощению пролиферирующих клеток в апикальной меристеме корня и, как следствие, к прекращению роста корневой системы (Heidstra et al., 2004). Мутация  гена также влияет на развитие в корне слоя клеток коры, нарушая ее радиальное строение. Она приводит к потере в корне слоя клеток коры между эпидермисом и перициклом, которая в норме у растений состоит из таких трех частей, как экзодерма, мезодерма и эндодерма (Helariutta et al., 2000). sсr-1  SСR1 sсr-1 SСR1