1.5.5. Наследование пластид

Эндоплазматические органеллы могут переходить от одного поколения к дру­гому через яйцеклетку (материнское наследование), через спермин (отцовское наследование) либо обоими способами (двуродительское наследование). У боль­шинства покрытосеменных растений пластиды и митохондрии наследуются по материнской линии. Эти органеллы от отцовской линии либо не попадают в спермин, либо деградируют в процессе развития мужского гаметофита или двойного оплодотворения. Независимо от исходной локализации (в яйцеклет­ке или спермин) в момент наследования пластиды находятся на стадии пропластид.

В ряде видов цветковых растений, включая герань {Pelargonium), свинчатку (Plumbago), ослинник (Oenothera), было зарегистрировано двуродительское наследование пластид и митохондрий. У Pelargonium «мужские» пластиды и ми­тохондрии отличаются от «женских» по ультраструктуре. Это позволяет визу­ально определить в развивающемся зародыше присутствие органелл от каждо­го родителя. Наследование органелл в свинчатке своеобразно. Данный вид ха­рактеризуется наличием диморфных спермиев: одна из мужских гамет обога­щена митохондриями, тогда как другая — пластидами. При этом происходит предпочтительное оплодотворение: «пластидный» спермий сливается с яйцек­леткой гораздо чаще, чем «митохондриальный».

Некоторые растения (например, саговники, гинкго) кардинально отлича­ются по способу наследования пластид: пластиды переходят к следующему поколению через сперматозоид (в этом случае мужской гаметофит живет до­вольно долго, развиваясь в женской шишке после опыления). Таким образом, для некоторых голосеменных характерно наследование пластид по отцовской линии.

1.5.6. Геном и белоксинтезирующая система пластид

Все пластиды имеют собственный геном и белоксинтезирующую систему. У современных фотосинтезирующих эукариот пластидная ДНК (плДНК), как правило, представлена многокопийной кольцевой молекулой размером от 120 до 290 тыс. п. н. У большинства видов эта молекула содержит два инвертирован­ных повтора (IR_A и IR_B — от англ. inverted repeats), разделяющих ее на две неравные области (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Схема строения кольцевой ДНК пластид

У многих бобовых и большинства голосеменных растений ДНК пластид имеет всего лишь один IR-повтор и обладает изменен­ным порядком генов.

Для некоторых видов высших растений проведено полное секвенирование плДНК. Установлено, что ДНК пластид содержит около 100 генов, причем их набор близок для разных видов. Все идентифицированные гены можно разде­лить на две группы:

• гены, обслуживающие процессы транскрипции и трансляции белков пла­стид (гены «домашнего хозяйства»);

• гены белков, обеспечивающих «полезную работу» пластид, прежде всего процесс фотосинтеза.

Многие пластидные гены организованы в виде оперонов — блоков генов, считывающихся с единого промотора. Ряд пластидных генов имеют мозаичную структуру, т. е. состоят из чередующихся экзонов и интронов.

1.5.6.1. РНК-полимеразы пластид

Транскрипция пластидных генов обеспечивается двумя типами РНК-полимераз, одна из которых кодируется в ядре растительной клетки, тогда как другая — пластидной ДНК.

Собственная РНК-полимераза пластид обладает типичными прокариотическими чертами и очень близка соответствующему ферменту Escherichia coli (рис. 1.10). Она состоит из четырех типов субъединиц α₂ββ'β" (у эубактерий из трех — α₂ββ')- Эти субъединицы кодируются в пластидном геноме. Структура фермента α ₂ββ'β" характерна лишь для пропластид и этиопластов. Такая РНК-полимераза не может узнавать промоторные области генов, для этого к ней должна присоединиться σ-субъединица. Она кодируется ядерным геномом и присоединяется к ферменту при освещении пластиды. У арабидопсиса выявле­но как минимум три гена σ -субъединиц. Несмотря на ядерное кодирование, продукты этих генов имеют высокую гомологию с σ -субъединицами цианобактерий и эффективно распознают типичные промоторы прокариот. Ядерная локализация этих генов, вероятно, является результатом перемещения генети­ческого материала пластид в ядро.

Поскольку в темноте и в пропластидах собственная РНК-полимераза пла­стид неактивна, то в этих условиях работает другая РНК-полимераза, которая кодируется ядерным геномом. Она представляет собой мономерный фермент, очень похожий на РНК-полимеразу бактериофагов ТЗ и Т7. В геноме арабидоп­сиса идентифицирован ген, кодирующий эту РНК-полимеразу. Продукт дан­ного гена имеет сигнальную последовательность транспорта в пластиды.

Имеется своеобразное «распределение ролей» в работе двух РНК-полимераз пластид, которое обеспечивается различными промоторами пластидных генов. Все гены пластид можно разделить на три группы:

• имеющие стандартные эубактериальные промоторы — к ним относятся почти все гены белков, участвующих в процессах фотосинтеза, их транскрип­цию обеспечивает собственная РНК-полимераза пластид;

• имеющие нестандартные промоторы — такие промоторы свойственны лишь немногим генам; важно, что таким промотором снабжен rif-оперон, содержа­щий гены собственной пластидной РНК-полимеразы; их активность связана с мономерной РНК-полимеразой фагового типа;

• имеющие универсальные промоторы — подобные промоторы характерны для большинства генов «домашнего хозяйства» пластид; успешно распознают­ся обеими РНК-полимеразами.

Рис. 1.10. Схема строения пластидных РНК-полимераз:

-35; -10 — расстояние до места начала транскрипции (в парах нуклеотидов)