Molekuljarnaja Biologija Kletki v3
.pdf
431
Рис. 20-62. Взаимосвязь плоскости деления, растяжения клеток и морфогенеза. А. Три плоскости деления клеток в типичном органе растения. Форма различных морфогенетических структур растения определяется вариациями в относительных соотношениях этих плоскостей, а также в сочетании с растяжением клеток в определенном направлении. Б. Продольный срез молодого бутона барвинка. Маленькие купола, образованные клетками, которые впоследствии станут частями цветка, возникают в результате комбинаций вновь возникающих новых плоскостей деления клеток, что определяется укреплением целлюлозных колец в клеточной стенке. (По N. Н. Boke, Am.J. Bot, 36, 535-547, 1949.)
щими в ходе морфогенеза. В эпидермисе часто происходят антиклинальные деления, в результате которых образуются дополнительные клетки в поверхностном слое. Они могут способствовать утолщению, происходящему в результате периклинальных делений (рис. 20-62, А). Образование таких органов, как цветки, листья и боковые корни, происходит в результате сочетаний локальных изменений в частоте и ориентации плоскостей клеточных делений (рис. 20-62, Б).
Мы уже видели, что вызываемое тургором растяжение растительной клетки, часто приводящее к увеличению ее объема в пятьдесят и более раз, определяется ориентацией целлюлозных микрофибрилл клеточной стенки, что в свою очередь зависит от ориентации микротрубочек кортикального слоя цитоплазмы. В определении плоскости деления клеток важную роль играет также цитоскелет.
20.5.5. Строение цитоскелета определяет плоскость деления клетки [32]
Для организованного роста растения необходимо, чтобы клетки в специализированных участках делились в определенной плоскости и в определенное время, иными словами, чтобы цепочки клеток были правильно ориентированы. Микротрубочки с самого начала принимают участие в ориентации плоскости деления клеток. Таким образом, первые заметные признаки того, что клетка высшего растения собирается делиться в определенной плоскости, появляются сразу же после интерфазы, когда микротрубочки кортикального слоя исчезают в ходе подготовки к митозу. В это время непосредственно под плазматической мембраной появляется узкая окружающая всю клетку зона микротрубочек (рис. 20-63). Так как микротрубочки, входящие в состав этой зоны, появляются в G2 перед началом профазы, данная зона называется препрофазным пучком. Хотя она исчезает перед метафазой, но граница плоскости деления каким-то образом запоминается: когда позже в процессе цитокинеза образуется новая клеточная пластинка, то она начинает расти наружу, сливаясь с родительской стенкой точно в том месте, которое первоначально было занято препрофазным пучком (рис. 20-64). Даже если содержимое клетки после исчезновения препрофазного пучка сместить посредством центрифугирования, растущая клеточная пла-
432
стинка будет стремиться вернуться в ту плоскость, которая была определена предыдущим препрофазным пучком.
В настоящее время известно, что препрофазный пучок кроме микротрубочек содержит многочисленные актиновые филаменты. Последние не ограничены кортикальным слоем и формируют также радиальные дисковидные скопления нитей, которые пересекают вакуоль, соединяясь вместе и поддерживая делящееся ядро, расположенное в центре. После того как микротрубочки в препрофазном пучке деполимеризуются, эти радиальные актиновые нити сохраняются, обеспечивая «запоминание», предопределяющее положение плоскости деления. В ходе цитокинеза,
Рис. 20-63. Препрофазный пучок микротрубочек в клетках высших растений. А. Упрощенная схема изменения распределения микротрубочек в ходе клеточного цикла в клетках высших растений. Показаны четыре типа ориентации. По мере перехода клеток из интерфазы в профазу микротрубочки (1) в кортикальном слое стягиваются в плотный препрофазный пучок (2) шириной 1-3 мкм, в состав которого часто входит более сотни микротрубочек. Этот препрофазный пучок определяет будущую плоскость деления клетки. Затем образуется митотическое веретено (3), которое формирует и выстраивает хромосомы вдоль метафазной пластинки (4). В конце микротрубочки в ходе цитокинеза образуют фрагмопласт (5), который определяет новую клеточную стенку (6) (см. рис. 13-71). В дочерних клетках микротрубочки, полимеризующиеся из аморфного материала центросомы на поверхности ядра (7), восстанавливают интерфазную ориентацию
(8). Б. Окрашивание флуоресцирующими антителами микротрубочек в препрофазном пучке клеток кончика корня лука. Слева показана отдельная клетка, а справа две фокальные плоскости помогают установить связь пучка с образованием на ранних стадиях веретена, которое происходит вне ядра. В. Несмотря на то, что две клетки, представленные здесь, имеют одинаковую форму, препрофазный пучок определяет, что верхняя клетка будет делиться поперечно, а нижняя - продольно. (Б и В - с любезного разрешения К. Goodbody, С. Lloyd.)
433
Рис. 20-64. Эта серия электронных микрофотографий эпидермальных клеток листа сахарного тростника демонстрирует строгую последовательность симметричных и асимметричных клеточных делений, происходящих при образовании устьица. Плоскость каждого деления предопределяется препрофазным пучком микротрубочек. А. На среднем фото: верхняя клетка готовится к асимметричному митозу, в результате которого отделится побочная клетка (нижняя клетка уже разделилась, образовав другую побочную клетку). Положение препрофазного пучка отмечено скобками, а детали его структуры при большом увеличении показаны на фото слева и справа. Б. Верхняя клетка вступает в метафазу, препрофазный пучок исчез. В. В верхней клетке образуется клеточная пластинка, ее края загибаются вниз к месту бывшего препрофазного пучка. В то же время крупная центральная клетка - предшественница замыкающих клеток - готовится к симметричному делению, положение препрофазного пучка указано скобками. Г. В верхней клетке цитокинез закончен, а в клетке-предшественнице замыкающих клеток близок к завершению. В результате последнего деления образуется пара замыкающих клеток, которые окружают устьичную щель (см. рис. 20-11). (С любезного разрешения С. Busby.)
когда фрагмопласт центробежно разрастается подобно кругам на воде, края растущей клеточной пластинки остаются связанными с местом расположения препрофазного пучка актиновыми филаментами (рис. 13-73).
Вне зависимости от того, симметрично или асимметрично деление клетки, является оно трансверсальным, периклинальным или антиклинальным, препрофазный пучок в растительной клетке всегда определяет место будущего деления клетки еще до того, как начнется митоз (см. рис. 20-63, Б). Подобный пространственный контроль имеет особенно большое значение в случае асимметричного деления клеток, в результате чего образуются две дочерние клетки с разными последующими путями развития; например, клетки устьиц, клетки корневых волосков и генеративные клетки пыльцевых зерен развиваются из меньшей по размеру дочерней клетки. В ходе такого деления ядро переходит в соответствующую область клетки еще до митоза (рис. 20-65). Хотя механизм перемещения ядра пока остается неизвестным, имеются доказательства того, что в этот процесс вовлечены как микрогрубочки, так и актиновые филаменты.
Такой строгий контроль за плоскостями деления клеток возможен лишь в том случае если ткань растения и составляющие ее клетки обладают определенной структурой полярности, которая впоследствии может быть либо закреплена либо видоизменена. Хотя структурная основа подобной полярности у высших растений еще не выявлена, у низших растений можно найти хорошо изученные примеры, позволяющие создать соответствующие модели.
434
Рис. 20-65. Асимметричное деление в удлиняющейся клетке эпидермиса корня. В интерфазе (А) микротрубочки кортикального слоя располагаются вдоль клеточной стенки. Однако в ходе препрофазы (Б) они собираются в дискретный пучок, опоясывающий клетку. Такой препрофазный пучок трубочек точно предсказывает место, где новая клеточная стенка соединится со старой, когда клетка разделится. В. Эта клетка эпидермиса делится асимметрично, образуя большую дочернюю клетку, которая остается эпидермальной, и небольшую дочернюю клетку, которая становится клеткой корневого волоска.
20.5.6. Полярность растительных клеток зависит от асимметричного распределения ионных каналов и белков-носителей [33]
Полярность растения и составляющих его клеток отличается поразительным постоянством: маленькие отрезки стебля, даже перевернутые вниз своей верхней частью, всегда регенерируют корни и побеги на месте исходных базальных и апикальных концов соответственно. Еще неясно как подобная полярность клеток создается, поддерживается и передается дочерним клеткам, однако имеются определенные доказательства того, что в этом процессе могут участвовать асимметрично расположенные ионные каналы и белки-носители, присутствующие в плазматической мембране, которые могут генерировать внутриклеточные потоки ионов.
Особенно хорошо изученным в этом отношении объектом является широко распространенная в морях бурая водоросль Fucus. Эта крупная водоросль выделяет в окружающую воду тысячи свободно живущих спермиев и яйцеклеток. Округлая оплодотворенная яйцеклетка Fucus, имеющая большие размеры, первоначально совершенно гомогенна и лишена полярности. Однако уже через 18 ч зигота поляризуется и подвергается асимметричному делению, в ходе которого возникшая базальная клетка меньшего размера развивается в структуру, которая впоследствии служит для прикрепления водоросли к камню, а апикальная клетка большего размера образует таллом (фотосинтезирующая часть). Ключом к пониманию механизма поляризации зиготы, находящейся на ранней стадии развития, служит небольшой электрический ток, проходящий через эту клетку. Этот ток генерируется и поддерживается отчасти благодаря пассивному переносу ионов Са2+ в базальный полюс и активной утечке Са2+ из другого участка, что, вероятно, отражает асимметричное распределение кальциевых каналов и насосов в плазматической мембране. Такой ток, проходящий через яйцеклетку, способен перемещать путем электрофореза внутриклеточные компоненты, обладающие высоким зарядом; кроме того, имеются данные, что одним из результатов подобной поляризации является накопление секреторных пузырьков у базального полюса, за которым следует локализованное отложение специфических сульфатированных полисахаридов в этом участке клеточной стенки.
Не обладающая какой-либо полярностью зигота Fucus становится поляризованной в ответ на внешние стимулы, например, градиент освещения или силы тяжести. Полагают, что эти факторы приводят к изначальной неравномерности распределения ионов Са2+ в яйцеклетке (рис. 20-66).
По-видимому, даже небольшие сдвиги в гомогенном распределении ионов Са2+ вызывают значительные последствия, поскольку быстро усиливаются и распространяются благодаря механизму с обратной связью. Хотя остается непонятным, как осуществляется стабилизация оси зиготы, известно, что для этого процесса требуются как актиновые филаменты, так и клеточная стенка. Вероятно, элементы, цитоскелета участвуют в соединении кальциевых каналов с фибриллами клеточной стенки путем образования на месте будущего базального полюса трансмембранных мостиков. Полагают, что внутриклеточные градиенты Са2+ существуют и во многих других типах растительных клеток, обладающих полярным ростом. Например, показано, что электрические токи, частично вызываемые ионами Са2+ , проходят через растущие верхушки самых разнообразных поляризованных структур, включая корневые волоски, пыльцевые трубки и целые корни, но их нет в тех участках, где рост не происходит. Таким образом, те же механизмы, которые определяют полярность яйцеклеток Fucus, могут определять полярность клеток растений и в других случаях.
435
Рис. 20-66. Схема, показывающая, каким образом оплодотворенная яйцеклетка бурой морской водоросли Fucux может стать поляризованной (1). В ответ на одно из указанных асимметричных воздействий внешней среды в плазматической мембране возникают (или активизируются) каналы для переноса ионов Са2+ и насосы в плазматической мембране, что определяет поток ионов Са2+ через клетку (2). Такая, вначале лабильная ось, фиксируется с участием актина и на будущем базальном конце откладываются отрицательно заряженные полисахариды клеточной стенки (3). Начальная структурная асимметрия закрепляется при первом делении клетки, в результате которого образуются большая апикальная и маленькая базальная клетки. Полярность клеток высших растений может определяться аналогичным асимметричным распределением ионных каналов и насосов в плазматической мембране.
20.5.7. Рост и развитие растений реагируют на сигналы окружающей среды [34]
Условия окружающей среды часто оказывают гораздо более выраженное воздействие на развитие растений, чем на развитие животных. У растений в ходе эволюции сформировались специальные механизмы для восприятия силы тяжести, температуры, интенсивности и продолжительности освещения. Ответы на эти сигналы часто оказываются весьма сложными и могут быть либо быстрыми и кратковременными (как при движении хлоропластов, индуцированном светом, см. разд. 20.4.10), либо медленными и продолжительными (как в случае длинного светового дня, который необходим для индукции цветения некоторых растений или длительного периода охлаждения, необходимого для прорастания многих семян).
Ответы на воздействие света принадлежат к числу наиболее сложных реакций, которые разделяются на два типа. Ответные реакции на длительное воздействие обычно связаны с изменением экспрессии генов, тогда как реакции на кратковременное воздействие обычно не затрагивают этот уровень. Хотя в растении присутствует несколько типов фоторецепторных молекул, наиболее основательно изучен фитохром, белок с большой молекулярной массой (124000 дальтон). Это соединение содержит хромоформ, который реагирует на свет, и может существовать в виде двух форм, способных превращаться одна в другую: неактивная форма фитохрома образуется при облучении дальним красным светом (между видимым красным и инфракрасным), а его активная форма - при облучении красным светом. Известно, что фитохром участвует во многих реакциях растения, активируемых светом, включая дифференцировку пластид, прорастание семян, удлинение стебля, инициацию роста листьев и цветение.
Некоторые данные о том, как активированный фитохром вызывает ответ в компетентных клетках, получены на папоротнике Onoclea. Для прорастания спор этого растения необходим красный свет, а дальний красный свет ингибирует прорастание. Вначале, по-видимому, фитохром инициирует кратковременный приток Са2+ из окружающей клетку среды, в результате чего содержание Са2+ в цитозоле увеличивается. Ионофоры Са2+ ускоряют прорастание и в отсутствие света. Остается неясным, какова роль фитохрома в индуцируемых светом реакциях, в результате которых происходят изменения в транскрипции генов. Вероятно, протеинкиназы, чувствительные к притоку ионов Са2+, фосфорилируются, активируя при этом факторы транскрипции, специфичные для фоторегулируемых генов.
436
Фитохром может действовать при довольно широком диапазоне уровней освещенности: от единичных фотонов до яркого солнечного света, причем каждый из процессов достигает насыщения при разной интенсивности света. Тем не менее почти во всех таких процессах действие света совмещается с воздействием других факторов окружающей среды, а кроме того, во всем этом принимают участие молекулы одного или более регуляторов роста растений.
20.5.8. Рост и развитие растений регулируются химическими посредниками [35]
Координированные процессы клеточного деления, роста и дифференцировки контролируются многими факторами. Среди них особенно выделяется группа сигнальных молекул, называемых фитогормонами (или регуляторами роста растений), которые специфически действуют на рост растений и играют ключевую роль в их развитии. Известно пять классов таких соединений: ауксины, гиббереллины, цитокинины, абсцизовая кислота и газ этилен. Как показано на рис. 20-67, все это небольшие молекулы, способные легко проходить через клеточную стенку. Эти вещества вырабатываются в растительных клетках и либо действуют на месте, либо транспортируются по определенным путям к клеткам-мишеням. Так, например, суммарный поток ауксинов в побегах направлен от верхушки к основанию (скорость его около 1 см/ч). Несмотря на относительно малое число гормонов, растения справляются со своими регуляторными задачами благодаря многообразному использованию каждого гормона: их клетки, как правило, реагируют на определенные комбинации этих веществ. Так, сам по себе ауксин способствует образованию корней, в сочетании с гиббереллином вызывает удлинение стебля, вместе с цитокинином контролирует рост боковых почек, а с этиленом стимулирует рост боковых корней.
Важным общим принципом гормональной регуляции как у растений, так и у животных, является то, что каждая клетка, имея собственную генетическую программу, отвечает на определенные сигналы специфически (см. разд. 12.1.3). Более того, одна и та же клетка на разной стадии развития будет по-разному отвечать на одни и те же сигналы. Так, например, созревание плодов инициируется этиленом (см. разд. 20.1.8), однако чувствительность к этилену клетки приобретают лишь на поздних стадиях развития плода. Аналогичным образом, в семенах ячменя гибберелловая кислота, выделяемая зародышем, приводит к появлению ферментов, индуцирующих мобилизацию резервов крахмала в эндосперме, однако ответственные за реакцию клетки в оболочке семени становятся восприимчивыми к гибберелловой кислоте лишь после процесса дегидратации, необходимого для созревания семени.
До сих пор неизвестно, каким образом регуляторы роста оказывают воздействие на клетки-мишени. Соответствующие белки-рецепторы все еще не выделены и не охарактеризованы. Однако у растений, как и у животных, по-видимому, имеются два класса рецепторов: 1) рецепторы в плазматической мембране, которые активируют ионные каналы (а возможно, и другие еще неизвестные пути), и 2) рецепторы внутри клетки, которые воздействуют на ядро и регулируют экспрессию генов.
Получение очищенных регуляторов роста дало возможность выращивать ткани и клетки растений в культуре, что в значительной мере облегчило изучение различных аспектов роста и развития растений.
Рис. 20-67. Структурные формулы регуляторов роста растений. Для каждой из пяти групп регуляторов роста приведено по одному представителю, встречающемуся в природе.
437
Рис. 20-68. Реакция на повреждение у распространенного комнатного растения Coleus
(продольный срез стебля, световая микрофотография). Проводящие сосудистые пучки в области раны были перерезаны. Семь дней спустя в результате стимуляции клеточного деления и передифференцировки близлежащих клеток коры возникло много новых клеток ксилемы и флоэмы и была восстановлена непрерывность проводящих структур в области повреждения. Ауксин обычно поступает к основанию растения из верхушки. Полагают, что повреждение тканей вызывает новый направленный поток ауксина, который в свою очередь индуцирует регенерацию сосуда, показанную на этой микрофотографии. (С любезного разрешения N. P. Thompson.)
20.5.9. Культура клеток и тканей - модный инструмент для изучения развития растений [36]
При определенных условиях зрелые растительные клетки сохраняют способность делиться, а в некоторых случаях могут даже вступить на новый путь развития. Такая пластичность дает растению возможность восстанавливаться после повреждения. Например, если надрезать стебель, близлежащие клетки начинают делиться и закрывают рану, при этом другие клетки подвергаются передифференцировке, образуя ксилему и восстанавливая непрерывность проводящей ткани вокруг раны (рис. 20-68).
Такая пластичность свойственна не только целому растению: если культивировать растительную ткань в среде, содержащей необходимые питательные вещества и регуляторы роста, многие клетки начинают делиться. Они способны к неограниченной пролиферации и в конце концов образуют массу относительно недифференцированных клеток, называемую каллусом. Если правильно подобрать питательные вещества и регуляторы роста, то внутри каллуса начинают формироваться побеги, а затем корень; у многих видов таким образом удается регенерировать целиком новое растение (рис. 20-69).
Каллус можно механически разделить на отдельные клетки и выращивать их затем в суспензионной культуре. В такой культуре клетки очень похожи друг на друга: все они имеют тонкую первичную клеточную стенку и крупные вакуоли, пересеченные тонкими тяжами цитоплазмы (рис. 20-70). В ряде случаев из одиночных клеток, выделенных из суспензии, удавалось вырастить целое взрослое растение. Удачные
Рис. 20-69. Выращивание целого растения из клеток каллуса. В культуре каллуса Freesia (А) индуцировали сначала развитие побегов (Б), а затем корней (В), меняя соотношение ауксинов и цитокининов в среде. Для формирования побегов и листьев цитокинина в среде должно быть больше, чем ауксина. (С любезного разрешения G. Hussey.)
438
Рис. 20-70. Культуры каллуса можно поддерживать в жидкой среде в виде суспензии одиночных клеток. На микрофотографии показаны две такие клетки из каллуса платана. Они сильно вакуолизированы, и от ядра отходят цитоплазматические тяжи. У этих клеток есть первичная клеточная стенка.
результаты были получены с клетками картофеля, табака, петунии и моркови (рис. 20-69). Такая способность единственной соматической клетки давать начало целому растению хорошо иллюстрирует тотипотентность многих растительных клеток.
Растения, выращенные из культивируемых клеток, характеризуются генетической нестабильностью (сомаклональная вариация). То же явление имеет место, если интактное растение подвергается стрессу. По-видимому, при стрессах, к которым относят и условия культивирования, в клетках растений происходят разнообразные хромосомные перестройки (см. разд. 10.5.10). Образовавшиеся мутантные растения могут иметь преимущества в изменившихся или неблагоприятных условиях. В настоящее время сомаклональные варианты используются селекционерами как исходный материал для получения улучшенных сортов сельскохозяйственных растений.
20.5.10. Использование методов молекулярной генетики для решения проблем развития растений
Способность соматических клеток растений и регенерации в культуре дает возможность проводить с такими клетками разнообразные генетические манипуляции и получать трансгенные растения. Для того чтобы облегчить попадание чужеродной ДНК в растительные клетки, их лишают жесткой оболочки. Этого можно добиться с помощью обработки клеток ферментами, гидролизующими связи в полисахаридах клеточной стенки. В результате такой обработки клетки превращаются в протопласты (рис. 20-71). После введения в них чужеродной ДНК протопласты можно заставить вновь сформировать клеточную стенку, индуцировать деление и даже регенерировать новое растение.
Для введения чужеродной ДНК в интактные клетки растений используется вектор, полученный на основе Т-ДНК Agrobacterium, о которой говорилось выше (см. разд. 20.3.3). Для этого гены, ответственные за образование опухоли на растении, удаляются и замещаются желаемыми. После переноса модифицированной Т-ДНК в соответствующую Ti-плазмиду Agrobacterium бактерии культивируют вместе с кусочками листа. Эта система позволяет Т-ДНК встроиться к хромосому растения, в результате чего новый ген стабильно включается в
растительный геном (рис. 20-72). К сожалению, этот метод успешно используется лишь для некоторых семейств двудольных растений 1)
____________________________________________
1) В последнее время круг трансформируемых видов растений значительно расширился, методика стала применима и к некоторым однодольным растениям, например кукурузе и рису. - Прим. перев.
Рис. 20-71. Световая микрофотография протопластов, полученных из зеленых клеток листьев табака. Клетки, лишенные стенки, округляются: их можно сохранить только в изотоническом растворе. В каждом протопласте видны многочисленные хлоропласты. (С любезного разрешения F.
Burgess.)
439
Рис. 20-72. Схема получения трансгенного растения. Интересующий нас ген кодирует бактериальный белок, токсичный для насекомых. Чтобы ген экспрессировался в растительной клетке, его 5'-конец соединяют с растительным промотором, а З'-конец с сайтом полиаденилирования.
Модифицированный ген токсина встраивают в плазмиду, содержащую кроме него и маркерный ген (например, ген устойчивости к канамицину), по которому можно проводить селекцию. Плазмида сконструирована таким образом, чтобы и ген токсина, и маркерный ген были окружены особыми повторами, размером 25 нуклеотидных пар, которые в норме окружают Т-ДНК. Плазмиду из клеток Е. coli переносят в Agrobacterium, где на отдельной плазмиде присутствуют гены вирулентности. Если такую Agrobacterium культивировать вместе с листовыми дисками, продукты генов вирулентности узнают повторы в Т-ДНК и перенесут ДНК, содержащую маркер и гены токсина в хромосому растения. Все клетки листового диска затем заставляют делиться, помещая экспланты на соответствующую питательную среду, однако способность делиться и образовывать каллус сохранят лишь те клетки, которые содержат ген селективного маркера. Из каллуса затем получают трансгенные растения, которые экспрессируют бактериальный ген инсектотоксина и, следовательно, обладают необычной устойчивостью к насекомым.
Применение методов генной инженерии к клеткам растений способствовало решению многих задач: удалось выделить в чистом виде регуляторы роста, прояснить пути морфогенеза и механизмы экспрессии генов. Более того, открылись новые горизонты в сельском хозяйстве: появилась теоретическая возможность получать растения с заданными свойствами, например устойчивые к вредителям или способные расти в экстремальных условиях (засоленная или переувлажненная почва).
Хорошо известно, что успехи в изучении механизмов развития у животных были достигнуты благодаря использованию в качестве объекта беспозвоночных, с которыми удобно проводить генетический анализ и эксперименты. Долгие годы модельными организмами служили плодовая мушка Drosophila (см. разд. 16.5) и нематода Caenorhabditis (см. разд. 16.3). Биология развития растений развивается гораздо медленнее. Это связано с длительностью жизненного цикла у растений и величиной их генома. В последние годы все более широкое применение в качестве объекта молекулярно-генетических исследований находит маленькое травянистое растение Arabidopsis thaliana. Во-первых, оно настолько мало (рис. 20-73), что его можно выращивать в пробирках в лабораторных условиях. Во-вторых, время генерации этого растения составляет всего 5 недель и, наконец, Arabidopsis обладает самым маленьким геномом из всех геномов растений (7 х 107 нуклеотидных пар),
Рис. 20-73. Arabidopsis thaliana -
небольшое травянистое растение из семейства крестоцветных, не имеющее никакой хозяйственной ценности, однако необычайно удобное для молекулярногенетических экспериментов с растительными объектами. Небольшой геном Arabidopsis (7 х 107 нуклеотидных пар) сопоставим по размеру с геномом дрозофилы (10 х 107 нуклеотидных пар). (С любезного разрешения Ch. Sommerville.)
440
сравнимым с геномами дрожжей (2 х 107 нуклеотидных пар), C.elegans (8 х 107 нуклеотидных пар) и дрозофилы (10 х 107 нуклеотидных пар). В настоящее время выявлено большое число интересных мутаций Arabidopsis thaliana и получена полная геномная библиотека этого растения (см. разд. 5.6.3). Можно предположить, что в ближайшем будущем Arabidopsis будет играть в биологии развития растений такую же роль, как дрозофила в биологии развития животных.
Заключение
На самых ранних стадиях развития у высших растений происходит интенсивное деление клеток зародыша. Однако по мере роста зародыша способность клеток к делению сохраняется только в определенных областях, называемых меристемами. Взрослое растение можно рассматривать как серию повторяющихся модулей, возникших в результате действия в этих меристемах формообразующих механизмов.
Морфогенез растений зависит от координированного деления, растяжения и дифференцировки неподвижных клеток. Контроль за расположением плоскостей деления клеток и за их растяжением в определенном направлении частично осуществляется микротрубочками, связанными с внутренней поверхностью плазматической мембраны. На рост и деление клеток растений оказывают влияние свет, сила тяжести, температура и другие факторы окружающей среды, а также такие специфические низко молекулярные регуляторы роста, как ауксины и цитокинины.
Многие аспекты роста и развития растительных клеток были исследованы на культивируемых клетках - как одиночных, так и в составе каллуса. Соматические клетки растений обладают пластичностью, которой лишены клетки животных. Наиболее ярким примером тотипотентности многих соматических клеток растений является их способность давать начало целому растению.
Протопласты - это растительные клетки, лишенные своей жесткой стенки. Их можно изучать in vitro теми же методами, что и клетки животных, но протопласты имеют еще и дополнительное преимущество, так как из них можно регенерировать целые растения.
Благодаря методам генной инженерии в хромосомы протопластов и интактных клеток можно ввести требуемый новый ген. Во многих случаях из этих клеток удается впоследствии получить трансгенное растение.
Литература
Общая
Cutter E.G. Plant Anatomy, 2nd., Part 1, Cells and Tissues; Part 2 Organs. London, Arnold, 1978. Esau K. Anatomy of Seed Plants, 2nd ed. New York, Wiley, 1977.
Grierson D., Covey S.N. Plant Molecular Biology, 2nd ed. New York, Methuen, 1988.
Gunning B. E. S., Steer M. W. Ultrastructure and the Biology of Plant Cells. London, Arnold, 1975. Raven P. H., Evert R. F., Eichhorn S. E. Biology of Plants, 4th ed., New York, Worth, 1986.
Roberts K., Johnson A. W.B., Lloyd C. W., Shaw P.J., Woolhouse H. W., eds. The Cell Surface in Plant Growth and Development. J. Cell. Sci., Suppl. 2. Cambridge, U. K., Company of Biologists Ltd, 1985.
Salisbury F.B., Ross C. W. Plant Physiology, 3rd ed. Belmont, CA, Wadsworth, 1985.
Цитированная
1. Bacic A., Harris P.J., Stone B.A. Structure and Function of Plant Cell Walls. In Biochemistry of Plants: A Comprehensive Treatise (J. Preiss, ed.), Vol. 14, Carbohydrates, pp. 287-371. San Diego, CA, Academic Press, 1988.