Детерминантный характер роста зернобобовых культур: роль в доместикации и селекции, генетический контроль

Полный текст

ВВЕДЕНИЕ

Зернобобовые культуры составляют 27 % мирового производства сельскохозяйственных культур и обеспечивают 33 % белка, потребляемого человеком [1]. По данным FAO (Food and Agriculture Organization — Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН) [2], общее производство зернобобовых в мире увеличилось за последние полвека более чем в 1,5 раза и составило в 2013 г. более 71 млн т. В мировом земледелии зернобобовые занимают около 13–14 % посевных площадей. Большинство зернобобовых относится к культурам многоцелевого использования. Сорта с детерминантным типом роста стебля чаще культивируют ради семян, они имеют продовольственное значение. Сорта с индетерминантным (незаконченным) типом роста стебля выращиваются на корм скоту, реже для пищевых целей. Растения с этим типом роста характеризуются недружным созреванием бобов, что влечет за собой невозможность механизированной уборки и снижает эффективность возделывания данных сортов на семена. Поэтому их чаще используют в качестве силоса, фуража, зеленого корма, комбикорма и на сидераты.

Культивируемые виды отличаются от диких родичей по многим признакам, совокупность которых называют «синдромом доместикации» [3]. Один из признаков «синдрома доместикации» у сельскохозяйственных культур — более компактная форма куста растений. У зернобобовых это выражается в уменьшении ветвистости, числа узлов, степени завивания верхушки главного побега и свойственном целому ряду видов бобовых детерминированном типе роста стебля [4]. В то время как дикие родичи зернобобовых, как правило, вьющиеся, травянистые растения со множеством ветвей и узлов. Вьющийся тип роста позволяет диким видам бобовых конкурировать с окружающими растениями за свет в кустарниковых или древесных ценозах, где они произрастают в природе [5, 6]. Культурные же растения должны иметь форму куста, удобную для уборки, будь то примитивные орудия древних земледельцев, либо современные уборочные комбайны. Растения с детерминантным типом роста, которые в случае фасоли и вигны называют «кустовыми», приспособлены к механизированной уборке в гораздо большей степени, чем вьющиеся с неограниченным ростом. Поэтому детерминантный характер роста стебля можно считать одним из важных признаков «синдрома доместикации» зернобобовых культур.

Понимание генетических механизмов, лежащих в основе формирования свойств, которые способствовали доместикации и распространению зернобобовых культур, полезно сегодня для повышения эффективности их селекции. Это важно и для освоения новых ареалов возделывания видами, востребованность которых в качестве источника пищи и кормов возрастает в Российской Федерации. Кроме того, знания о «генах доместикации» могут быть полезны для более интенсивного вовлечения в селекционный процесс диких видов вторичного и третичного генпулов.

ДОМЕСТИКАЦИЯ ЗЕРНОБОБОВЫХ КУЛЬТУР

Зернобобовые культуры возделывают в условиях умеренного, субтропического, а также тропического климата. Широкий спектр изменчивости морфологических и хозяйственно ценных признаков позволяет включать их в различные системы земледелия во многих странах мира. Большинство зернобобовых культур — самоопылители. Для некоторых видов в пределах рода отмечено перекрестное опыление.

По данным Дж. Харлана [7], представители семейства бобовых были одомашнены одними из первых. Главные центры формообразования связаны с распределением основных очагов человеческой культуры. Горох (Pisum sativum L.), бобы (Vicia faba L.), чечевица (Lens culinaris Medik.), чина (Lathyrus sativus L.), нут (Cicer arietinum L.) являются культурами, которые были доместицированы одними из первых среди зернобобовых [1]. Эти культуры наряду со злаками входили в основной рацион древних цивилизаций на Ближнем Востоке и в Средиземноморье. Н.И. Вавилов связывал происхождение этих культур со Среднеазиатским очагом происхождения, отмечая важность этого региона как «родины всех важнейших зерновых бобовых <…> представленных исключительным богатством генов» [8, с. 28]. В качестве вторичных центров происхождения нута и гороха Н.И. Вавилов рассматривал Переднеазиатский очаг происхождения. Для многих важнейших культурных растений, в том числе и для зерновых бобовых, Н.И. Вавилов считал Средиземноморский очаг как вторичный [8]. Он отмечал, что «многие из культурных растений Средиземноморья, как, например, лен, ячмень, бобы, нут, отличаются крупнозерностью и крупноплодностью в отличие от мелкозерных форм Средней Азии, где находится их основная родина. В последнем же очаге сосредоточены преимущественно доминантные гены этих растений. По всем культурам Средиземноморья можно проследить большую роль человека в отборе наиболее культурных форм» [8, с. 36]. Кроме того, в качестве одного из очагов происхождения нута, чечевицы, гороха и бобов Вавилов рассматривал и Абиссинский очаг.

Данные археологических раскопок свидетельствуют об использовании гороха на Ближнем Востоке и в Центральной Азии 10 000 лет до н. э. В Европе горох стали выращивать, начиная с каменного века [9]. Бобы Vicia faba также являются исторически важной культурой и относятся к числу древнейших возделываемых растений. Бобы, обнаруженные на северо-западе Сирии в археологических раскопках, датированы десятым тысячелетием до н. э. Остатки крупных семян бобов были найдены на территории Средиземноморья — предполагаемого вторичного центра доместикации бобов [1]. Из Средиземноморской области бобы распространились на территорию Европы. Чечевица является также древнейшим культурным растением. Семена этой культуры, идентифицированные на территории древних поселений Ближнего Востока, датированы восьмым-седьмым тысячелетиями до н. э. [1].

Происхождение одной из важнейших зернобобовых культур — сои (Glycine max (L.) Merr) связывают с Китаем. Эволюция культурного вида сои тесно сопряжена с историей древней китайской цивилизации. Соя упоминается во многих древних китайских книгах. Именно Китайский очаг происхождения Н.И. Вавилов рассматривал в качестве первичного для сои, отмечая большое разнообразие форм этой культуры на данной территории [8]. В настоящее время вопрос о точном месте доместикации сои в Китае остается дискуссионным.

Относительно центров происхождения фасоли обыкновенной (Phaseolus vulgaris L.) ведутся споры. Н.И. Вавилов считал центрами происхождения фасоли Южномексиканский и Центральноамериканский очаги [8]. Он отмечал, что «здесь <…> родина основных американских видов фасоли» [8, с. 41]. Южноамериканский очаг он рассматривал как вторичный центр происхождения фасоли. В настоящее время различают два географически изолированных генофонда фасоли: Андийский и Центральноамериканский. На основе морфологического анализа и молекулярно-генетических исследований было предположено, что доместикация видов фасоли происходила независимо в Центральной и Южной Америке [10]. Ранние археологические находки в пещерах регионов Аякучо (Ayacucho) и Герреро (Guerrero) на территории Перу и Мексики соответственно позволяют предположить, что доместикация фасоли произошла еще 10 000 лет назад в Андах и около 7500 лет назад в Центральной Америке [1]. Дикие виды фасоли встречаются на территории от севера Мексики до северо-запада Аргентины [11]. Территория Колумбии рассматривается как самостоятельный центр доместикации [12].

Процессы доместикации видов одного из наиболее близких фасоли рода Vigna Savi происходили на территории стран Старого Света [13]. Наибольший интерес представляют сорта вигны Vigna unguiculata suspb. sesquipedalis (L.) Verdc., отличающиеся высокой продуктивностью. Н.И. Вавилов выделял три очага происхождения вигны, а именно Китайский, Индийский и Абиссинский [8]. При этом Китайский очаг рассматривается в качестве вторичного центра происхождения для спаржевой вигны V. unguiculata suspb. sesquipedalis.

Происхождение адзуки (V. angularis (Willd.) Ohwi & Ohashi) Н.И. Вавилов связывал с Китайским очагом происхождения [8]. Одним из вероятных центров доместикации адзуки считается территория Японии. Остатки семян этого вида вигны, обнаруженные на территории Японии, датированы 5000 гг. до н. э., найденные в Китае — 3000 гг. до н. э. [14]. Обсуждение точного места доместикации адзуки еще не завершено.

Виды вигны маш (V. radiata (L.) R. Wilczek), урд (V. mungo (L.) Hepper) и др. были доместицированы в Юго-Восточной Азии [1]. Эти виды также имеют древнейшую историю возделывания. Н.И. Вавилов считал Индийский и Среднеазиатский очаги местами происхождения этих культур [8]. Остатки азиатских видов вигны, датированные 3500–3000 гг. до н. э., были обнаружены в археологических раскопках на территории Центральной Индии [1].

В процессе доместикации и распространения растений из центров первичного происхождения образовались значительные изменения в архитектонике растений, фотопериодической чувствительности, наряду с этим менялись морфологические и физиологические признаки семян (увеличение размера, потеря покоя семян и механизмы их распространения). Изменения затронули и характер роста стебля. Для многих диких родичей зернобобовых культур характерно большое число междоузлий, сильное ветвление, вьющийся характер роста, продолжающийся и после начала цветения вплоть до наступления момента старения растения. Такой тип роста называют индетерминантным. В то время как при детерминантном типе происходит ограничение роста стебля, переход с вегетативной стадии в репродуктивную с образованием хорошо развитой терминальной цветочной кисти (рис. 1). У таких растений образуется меньшее число бобов с более высокой массой семян, они имеют более короткий период до цветения, устойчивы к полеганию и пригодны для механизированной уборки.

 

Рис. 1. Растения с разным типом роста. а — тип роста растений фасоли [17]; b — схематическое изображение. 1 — индетерминантный, 2 — детерминантный

 

Для стебля диких видов фасоли характерно большое число длинных междоузлий, при этом сам стебель очень тонкий и может достигать 3 м в длину [15]. В то время как у культурных образцов фасоли встречаются формы как с детерминантным, так и с индетерминантным типом роста [16]. В случае перехода к репродуктивной фазе на ранней стадии развития формируется карликовое растение с несколькими междоузлиями, число которых менее 10. Однако если переход существенно задерживается, образуется растение с большим числом междоузлий (более 20) [15]. Самая простая система классификации фасоли, основанная, главным образом, на морфологических характеристиках роста стебля, была предложена S.P. Singh [16]. Выделено 4 типа роста. Для растений типа I характерен детерминантный тип роста, при этом образуется небольшое число коротких междоузлий. Растения с типами II, III и IV отличаются индетерминантным типом роста, но различаются между собой по длине стебля, его прочности, а также числу ветвей [16].

При выращивании коровьего гороха (Vigna unguiculata) на семена фермеры отдают предпочтение улучшенным сортам с кустовой формой растения и детерминантным типом роста стебля. Такие сорта характеризуются более коротким периодом созревания (65–75 дней) в отличие от позднеспелых сортов, для которых характерен период цветения более 90 дней [18]. Репродуктивная фаза у индетерминантных форм может продолжаться длительно, бобы созревают неодновременно, что требует дополнительных неоднократных сборов и мало технологично для механизированной уборки.

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ДЕТЕРМИНАНТНОГО ТИПА РОСТА

Молекулярные механизмы и структура локусов, контролирующих детерминантный характер роста стебля зернобобовых, оставались неясными до начала XXI в. Исследование данных вопросов продвинулось на многих культурах вслед за изучением на молекулярном уровне генетических факторов, инициирующих переход растения от вегетативного развития к генеративной стадии на модельном растительном объекте арабидопсис (Arabidopsis thaliana (L.) Heynh.).

Архитектоника растения напрямую связана с функционированием апикальной меристемы побега, из которой происходит формирование большинства надземных органов растения. По мере развития растения происходит переход к цветению, при этом апикальная меристема побега дает начало меристеме соцветия и цветка. Переход от вегетативной к репродуктивной стадии развития контролируется взаимодействием положительных и отрицательных регуляторов [19, 20]. Образование самого цветка можно разделить на несколько этапов — индукция цветения, детерминация меристемы цветка и детерминация органов самого цветка (рис. 2). Индукция самого цветения представляет собой запуск генетической программы развития растения. На этом этапе в клетках растения происходит запуск каскада физиологических процессов, основой которых являются молекулярно-генетические взаимосвязи [19].

 

Рис. 2. Этапы развития цветка Arabidopsis thaliana и основные гены контроля [19]

 

Апикальная меристема побега состоит из недифференцированных клеток, дальнейший путь развития которых находится под контролем ряда экзогенных и эндогенных факторов. К внешним факторам можно отнести фотопериод и температуру окружающей среды, а к эндогенным — фитогормоны, циркадные ритмы, старение. Сигнальные пути, реагирующие на различные экзогенные и эндогенные факторы, сводятся к нескольким интегральным генам, отвечающим за переход растения к цветению. Это гены идентичности цветковых меристем LFY (LEAFY), TFL1 (TERMINAL FLOWER1) и AP1 (APETALA1) [19]. Растение переходит на следующий этап развития, происходит запуск формирования меристемы цветка. У растений с индетерминантным типом роста апикальная меристема побега сохраняет свою активность на протяжении всей жизни растения, флоральные меристемы при этом образуются на периферии апикальной меристемы побега. Растения с детерминантным типом заканчивают свой рост образованием из вегетативного апекса побега флоральной меристемы.

Ген TFL1 является антагонистом гена LFY, основного гена — интегратора информации, поступающей от разных путей инициации цветения растения. Функция TFL1 заключается в поддержании развития апикальной меристемы побега на протяжении всего жизненного цикла растения. В течение вегетативной стадии уровень экспрессии гена поддерживается на низком уровне. Экспрессия усиливается при переходе растения к цветению. TFL1 действует как репрессор начала цветения путем подавления экспрессии гена LFY, то есть является его негативным регулятором. В растениях дикого типа экспрессия гена TFL1 продолжается на достаточно низком уровне в клетках апикальной меристемы побега на протяжении всей стадии вегетации. У мутантов tfl1 индетерминантный тип роста стебля меняется на детерминантный, для таких растений характерен ранний переход к цветению [21].

В отличие от AP1 и LFY, продукт гена TFL1 не является фактором транскрипции. TFL1 — гомолог белка, связывающего фосфатидилэтаноламин (PEBP), участвующий в сигнальных каскадах регуляции роста и дифференциации у животных, дрожжей и бактерий. TFL1 относится к небольшому семейству генов CENTRORADIALIS / TERMINAL FLOWER 1 / SELF–PRUNING (CЕTS), в состав которого входят гены, контролирующие время перехода от индетерминантного типа роста к детерминантному. Всего в состав семейства CЕTS входит 6 генов, все они участвуют в регуляции контроля цветения — TERMINAL FLOWER 1 (TFL1), TWIN SISTER OF FT (TSF), BROTHER OF FT AND TFL1 (BFT), ARABIDOPSIS THALIANA CENTRORADIALIS HOMOLOG (ATC), MOTHER OF FT AND TFL1 (MFT), FLOWERING LOCUS T (FT). Необходимо отметить, эти же гены принимают участие не только в контроле цветения. Например, ген TSF регулирует открытие устьиц путем активации H⁺–АТФаз в защитных клетках в ответ на синий свет [22]. Ген BFT участвует в контроле цветения в условиях избыточного засоления, задерживая переход к цветению [23]. Ген MFT усиливает прорастание семян путем взаимодействия сигнальных путей гибберелловой и абсцизовой кислот [24]. Был проведен поиск гомологов гена львиного зева CENTRORADIALIS / гена TERMINAL FLOWER1 арабидопсиса (CEN/TFL1). Ортологи гена CEN были обнаружены у многих видов: SELF–PRUNING (SP) у томата (Solanum lycopersicum L.) [25], CET у табака Nicotiana tabacum L. [26]. У томата продукт гена SP взаимодействует со многими белками, участвуя в сигнальных процессах [27].

Первые работы по изучению характера наследования типа роста стебля у бобовых были проведены еще в начале прошлого века. Эмерсен один из первых изучил наследование трех, как считалось в то время, наиболее важных признаков для культуры фасоли, а именно длина растения, вьющийся или прямостоячий стебель и признак расположения бобов (терминальное или боковое) [28]. Было отмечено, что характер наследования этих признаков подчинялся законам Менделя, наблюдалось расщепление 3 : 1. Дальнейшие исследования типа роста у растений фасоли Phaseolus vulgaris были проведены в 1915 г. Дж.Б. Нортоном [29]. В своей работе Нортон придерживался схемы исследований, проведенных ранее Эмерсеном, однако обозначил каждый из перечисленных выше признаков своей «буквой» и прослеживал наследование каждого признака. Так, признак длины растения был обозначен как «L», что соответствовало растениям с длинным стеблем, и «l» — растения с коротким стеблем. Характер наследования данного признака был установлен при проведении множественных скрещиваний. По результатам своих изучений Нортон делает вывод, что наличие у растения терминального соцветия приводит к ограничению роста всего растения, в то время как образование многочисленных боковых соцветий наблюдается при неограниченном росте основного стебля. Нортон высказывает предположение, что длина растений находится под контролем нескольких факторов, которые он обозначает как L₁, L₂ и т. д. Контроль характера роста стебля (вьющийся или прямостоячий) Нортон связывал с другим фактором. Таким образом, Нортон одним из первых предположил моногенное наследование признака типа роста, указывая, что незаконченный тип роста является доминантным признаком.

Следующий блок работ по изучению характера наследования большого числа морфологических признаков у фасоли был осуществлен немецким исследователем Лампрехтом. Впервые ген, контролирующий тип роста фасоли P. vulgaris, был обозначен как FIN (от лат. finitis — законченный) [30]. Было высказано предположение, что именно этот локус отвечает за проявление детерминантного типа роста у большинства сортов фасоли. При этом для сортов с вьющимся стеблем был предложен контроль геном Tor (от лат. torquere — вьющийся) [31]. В дальнейшем активные исследования наследования типа роста у фасоли продолжались и было показано, что контроль типа роста растений с вьющимся стеблем находится также под контролем FIN, этот ген был картирован на первой хромосоме Pv01 [32]. Было выявлено, что детерминантный тип роста контролируется единственной рецессивной аллелью гена fin. Индетерминантный же тип является доминантным признаком.

Еще одной из наиболее изученных в генетическом отношении культурой является соя. Необходимо отметить, что большинство исследователей у сои выделяют три типа роста стебля: индетерминантный, детерминантный и промежуточный, или полудетерминантный, характеризующийся более поздним прекращением роста стебля по сравнению с детерминантным типом. Такие растения менее склонны к полеганию, образуют большее число бобов [33].

Первые работы по изучению характера наследования признака типа роста у сои были проведены с использованием методов классического генетического анализа [34]. Анализ гибридов второго поколения при скрещивании растения сорта Ebony с законченным типом роста с растением сорта Manchu с незаконченным типом роста показал расщепление в соотношении 3 : 1 (индетерминантный к детерминантному). На основе полученных результатов было высказано предположение о моногенном характере наследования данного признака. C.M. Woodworth предложил название для типов роста — детерминантный (рецессивный) и индетерминантный (доминантный), впервые ввел обозначение гена, контролирующего данный признак — Dt [34]. В последующих работах были обнаружены переходные формы типа роста, характеризующиеся более поздним прекращением роста по сравнению с законченным типом (растения с генотипом dt1dt1). R.L. Bernard [35] предположил дигенный характер наследования типа роста стебля у сои, обозначив второй ген как Dt2. Автором был предложен термин полудетерминантный для таких растений с промежуточным типом роста. Bernard провел множественные скрещивания, которые показали, что тип роста стебля у сои регулируется эпистатическим взаимодействием двух генов Dt1 и Dt2 [35, 36]. Ген Dt1 (=Dt по Woodworth [34]) определяет индетерминантный тип роста, в то время как растения с генотипом dt1dt1 имеют детерминантный тип. Однако ген Dt2 в присутствии доминантной аллели Dt1 определяет полудетерминантный тип. В связи с тем, что аллель Dt1 не полностью доминанта над dt1, растения с генотипом Dt1dt1 также имеют полудетерминантный тип роста, в то время как аллель Dt2 полностью доминирует над dt2.

Известны примеры зависимости характера роста стебля от условий произрастания у представителей трибы Phaseoleae Bronn., к которой относятся виды фасоли, вигны, сои, гиацинтовые бобы и др. Стебель с детерминантным типом роста у коровьего гороха (V. unguiculata) удлинялся и начинал индетерминантный тип роста при ночной температуре 24 °C и длине дня 12 часов [37]. Аналогично у гиацинтовых бобов (Lablab purpureus (L.) Sweet), детерминантный характер роста менялся на индетерминантный при длине дня 13 часов и дневной температуре 25 °C или при длине дня 10–11 часов, при 30 °C, в то время как при 20 °C и разной продолжительности светового дня он оставался постоянным [38]. При изучении образцов сои с детерминантным типом роста растения разделились на две группы. У первой группы образцов при изменении температуры и продолжительности светового дня не происходило перехода к индетерминантному типу роста, а число междоузлий при переходе к цветению у таких растений было стабильно — 10. Однако у части изученных образцов при повышении температуры тип роста стебля изменялся на индетерминантный, число междоузлий увеличивалось [39].

В состав семейства генов CЕTS помимо гена TFL1 входит ген FT, продукт которого инициирует переход к детерминантному типу роста и цветению. При этом гены TFL1 и FT арабидопсиса оказывают противоположное действие на инициацию цветения: TFL1 задерживает цветение, в то время как FT его ускоряет [20, 33]. Продукты обоих генов способны взаимодействовать с продуктом другого гена FLOWERING LOCUS D (FD), который является транскрипционным фактором с доменом лейциновая молния и экспрессируется преимущественно в апексе побега. Связывание белков приводит к образованию гетеродимера. В неиндуктивных условиях короткого дня белок FT не образуется, при этом появляется комплекс FD с TFL1, блокирующий активаторную функцию FD, и цветение задерживается. В условиях короткого дня белок FT образует гетеродимер с FD, который активирует экспрессию генов, отвечающих за развитие меристемы цветка, запускает транскрипцию гена AP1.

У большинства двудольных в геноме присутствует одна копия гена TFL1. У представителей однодольных растений также были описаны паралоги TFL1/CEN — гены ROOTS CURL IN NPA (RCN1 и RCN2), выполняющие сходную функцию и имеющие похожий паттерн экспрессии с геном TFL1 [40]. Гены FT и TFL1 возникли путем дупликации одной предковой копии и кодируют небольшие белки, в составе которых 175 и 177 аминокислотных остатков соответственно. Продукты этих генов имеют всего 60 % идентичности [41, 42]. В исследованиях по изучению белковой структуры было показано, что замена всего одной аминокислоты приводит к изменению функции продуктов этих генов. Так, замена Tyr85His в FT и His88Tyr в TFL1 приводит к изменению функциональной значимости белков на противоположную. Гены FT и TFL1 имеют высококонсервативные последовательности и состоят из интронов и четырех экзонов [42]. Экзоны 1–3 имеют высококонсервативные последовательности. Было установлено, что длина экзонов является консервативным признаком, не было выявлено значимых различий и между паралогами. Экзон 4 является наиболее вариабельным [40, 42]. В отличие от экзонов длины интронов сильно варьировали у разных представителей. Для гена RCN1 однодольных растений отмечены относительно короткие интроны с постоянной длиной. Кроме того, гены RCN разных представителей однодольных более полиморфны по признаку длины интрона, в отличие от интронов генов TFL1/CEN двудольных растений [40].

При изучении сверхэкспрессии химерных белков у разных растений было показано, что принципиальная разница в строении белков FT и TFL1 заключается в составе небольшого участка (128–145-й аминокислотный остаток), в пределах которого локализован сегмент из 14 аминокислотных остатков. Этот участок образует петлю с изменчивой конформацией. Было высказано предположение, что замена аминокислоты в составе петли может приводить к изменению функции белка на противоположную. Анализ белковой структуры ортологов белков FT и TFL1 проведен у множества растений. В результате было показано, что сегмент, образующий петлю, быстро эволюционирует у TFL1-ортологов, однако практически не меняется у FT-ортологов. По итогам изучения белковой структуры был сделан вывод, что замена одной аминокислоты (Gln140 в составе FT и Asp144 в составе TFL1) приводит к изменению функции белка на противоположную. Указанные аминокислоты расположены в начале петли, которая, по-видимому, является лиганд-связывающей областью. Gln140/Asp144 непосредственно связываются с функционально значимыми аминокислотами Tyr85/His88. Таким образом, пары Tyr85–Gln140 и His88-Asp144 у белков FT и TFL1 играют ключевую роль в определении функции белков [41, 42].

Поиск ортологов генов FT и TFL1 проводился в разных систематических группах [43]. У зернобобовых лучше всего изучены гены ортологи TFL1 и FT у гороха (Pisum sativum), сои (Glycine max) и фасоли (Phaseolus vulgaris).

Комплексное исследование (определение нуклеотидных последовательностей, кодирующих фактор, влияющий на тип роста гороха, анализ экспрессии и картирование выделенных генов) позволило выявить три гомолога гена TFL1 — PsTFL1a, PsTFL1b, PsTFL1c [43, 44]. Гены PsTFL1a и PsTFL1c кодируют белковые продукты длиной 174 и 173 аминокислотных остатка соответственно. Белки имеют высокий уровень гомологии между собой (около 70 %) и высокую идентичность белку TFL1 арабидопсиса (72 и 65 % соответственно). По результатам анализа филогенетического сходства гены гомологи TFL1 объединяются в несколько групп. Гены PsTFL1a и PsTFL1c кластеризуются вместе с TFL1, в то время как ген PsTFL1b образует одну группу с генами СEN и SP. Паттерн экспрессии трех генов гороха был различен. Так, экспрессия гена PsTFL1a не детектировалась в апексе побега до начала инициации цветения, накопление транскрипта было обнаружено в апексе только после начала цветения и продолжалось в течение всей репродуктивной стадии растения. Экспрессия PsTFL1b была отмечена в апексе в течение вегетативной и репродуктивной фаз развития. Экспрессия гена была зафиксирована в корнях и тканях междоузлий, но не детектировалась в цветках. Для гена PsTFL1c не было обнаружено тканеспецифичного паттерна экспрессии [44]. Из трех генов только PsTFL1a является гомологом DETERMINATE (DET). Фенотип мутантов det гороха был схожим с фенотипами мутантов tfl1 и cen. У всех трех мутантных растений был отмечен детерминантный тип роста [45]. Ген PsTFL1c соответствует гену LATE FLOWERING (LF) и является паралогом DET/PsTFL1a. У гороха белковый продукт гена LF вероятно является регулятором продолжительности вегетативной фазы, задерживает переход к стадии инициации цветения растения. Низкий уровень накопления транскрипта стимулировал более ранний переход к цветению, в то время как высокий уровень экспрессии гена приводил к задержке. Мутанты lf раньше переходили к цветению. У двойных мутантов гороха det lf наблюдался более ранний переход к цветению и детерминантный тип роста, такой фенотип очень похож на мутантов tfl1 арабидопсиса.

Таким образом, у гороха в отличие от арабидопсиса контроль перехода от вегетативной стадии к инициации цветения регулируется двумя генами DET/PsTFL1a и LF [44].

В работах отечественных исследователей описано два гена DET и DEH, мутации которых связаны с детерминантным типом роста стебля растений гороха [46–51]. У мутантов по гену DET (DETERMINATE) апикальная меристема полностью переходит в терминальное соцветие. По результатам множественных скрещиваний было показано, что ген DET локализован в 7-й группе сцепления и тесно сцеплен с геном R. Мутанты det r имели детерминантный тип роста стебля и семена с морщинистой поверхностью [46, 50]. У мутантов по гену DEH (DETERMINATE HABIT), начиная с первого продуктивного узла, формируются прилистники небольших размеров. В результате в верхней части побега из-за уменьшения площади фотоассимилирующей поверхности закладывается слаборазвитая вегетативная почка, которая в неблагоприятных условиях отмирает [48]. Таким образом рост растения заканчивается. Такой тип детерминантного роста в работах отечественных селекционеров обозначен как «самарский тип» [48]. Мутантные растения этого типа были устойчивы к полеганию, имели верхушечное расположение бобов. Ген DEH предположительно локализован в третьей хромосоме, структура гена неизвестна, данные по типу наследования достаточно противоречивы.

Необходимо отметить, что кроме апикальной меристемы соцветия у растений функционируют вторичные меристемы, определение идентичности которых связано с функционированием комплекса генов VEG1, GIGAS и VEG2 (см. таблицу, рис. 3). Ген VEG1 относится к группе генов AP1/SQUA/FUL и является гомологом гена AGL79 [52], контролирует определение идентичности меристем вторичных соцветий, экспрессируется после перехода растения к цветению в зоне апекса вторичных соцветий. Мутантные растения гороха veg1 не цветут, у них не происходит закладка органов цветка, заблокирован переход к стадии цветения [52]. У мутантов veg1 была отмечена экспрессия гена DET в латеральных меристемах по бокам от апикальной меристемы. Экспрессия гена VEG1 необходима для активации таких латеральных меристем путем прямого или опосредованного подавления экспрессии DET.

 

Рис. 3. Модель генетического контроля идентичности меристем соцветия у гороха [33]

 

Гомологи главных регуляторных генов, участвующих в развитии соцветия и типа роста у бобовых растений

Название гена арабидопсиса	Вид	Название гена у бобовых	Мутант	Фенотип мутантного растения	Идентифика-ционный номер в базе NCBI	Литературная ссылка
LEAFY (LFY)	Lotus japonicus L.	LjLFY	proliferating floral meristem (pfm)	Дефекты в развитии сложных листьев, у взрослых растений образуются простые листья. Формируются структуры похожие на соцветия. Морфология цветков аномальная, отсутствуют лепестки и тычинки. Цветки стерильные	AY770393	[71]
	Medicago truncatula Gaertn.	SGL1	single leaflet1 (sgl1)		AY928184	[72]
	Pisum sativum	UNI	unifoliata (uni)		AF010190	[73]
	Vigna radiata	VrLFY	unifoliate leaf (un)		XP014491863	[74]
AP1	Glycine max	GmAP1	–	Морфология цветков аномальная. У первых цветков чашелистики заменены листьями (брактеями), лепестки полностью отсутствуют. Кроме этого отмечены цветки, состоящие из внешних прицветников, лепестков и скопления центральных тычинок. В пазухах измененных чашелистиков закладываются дополнительные цветки с измененной морфологией	XM003547744	[75]
	L. japonicus	LjAP1a, LjAP1b	–		AY770395, AY770396	[71]
	M. truncatula	MtPIM	mtpim		DQ139345	[76]
	P. sativum	PEAM4/PIM	proliferating inflorescence meristem (pim)		AJ279089; AF461740	[77, 78]
TFL1	G. max	Dt1 (GmTFL1)	dt1	Индетерминантный тип роста стебля меняется на детерминантный, растения рано переходят к цветению	AB511820, AB511821	[56]
	Phaseolus vulgaris	PvTFL1y (FIN)	fin		JN418219-418266	[30, 65]
	P. sativum	PsTFL1a	det		AY340579	[44]
	Vigna unguiculata	VuTFL1	–		KJ569520- KJ569525	[69]
	P. sativum	DEH	determinate habit (deh)	Растения имеют короткий репродуктивный период, дружное созревание бобов. Образуется небольшое количество соцветий, уменьшенные прилистники. Данная мутация отмечена у некоторых российских сортов (Орловчанин 2, Батрак, Флагман 5 и др.)	Первичная структура не известна	[47–49, 51]
	G. max	Dt2	dt2	Полудетерминантный тип роста стебля	KF908014	[58]
	P. sativum	VEG1	vegetative 1 (veg1)	Растения не цветут, не происходит закладка органов цветка	JN974184	[52]
FT	G. max	GmFT1a	–	–	AB550124	[60]
	P. sativum	GIGAS	gigas	Растения не цветут	HQ538822	[53]
FD	P. sativum	VEG2	vegetative 2 (veg2)	У растений происходит задержка цветения	KP739949	[55]

 

У гороха выявлено три группы генов FT — FTa, FTb и FTc, и определена комплексная регуляция зависимости начала цветения от длины светового дня [53]. Вероятно, имеется взаимная регуляции транскрипции в пределах семейства генов FT [54]. При этом необходимо заметить, что экспрессия FT-гомологов отмечалась в листьях, а также в апексе растений. В тканях листьев растений при переходе к цветению экспрессировался только ген FTb2. Экспрессия генов FTa1 и FTa2 также наблюдалась в листьях, однако, в отличие от экспрессии FTb2, являлась независимой от длины светового дня. Два главных гена FT группы FTa1 и FTb2, экспрессирующиеся в листьях, имеют разные функции в процессе развития растения. Наконец, ген FTc экспрессируется только в апексе побега и является интегратором сигналов от генов FT, экспрессия которых определена в листьях. Ген GIGAS гороха соответствует FTa1 и является ортологом гена FT арабидопсиса (см. таблицу).

Ген гороха VEG2 — ортолог транскрипционного фактора FD [55]. Продукт гена VEG2 взаимодействует с белковым продуктом GIGAS/FTa1 с образованием гетеродимера, который регулирует экспрессию VEG1.

У растений сои было идентифицировано два ортолога гена TFL1 — GmTFL1a и GmTFL1b [56, 57]. Белки, кодируемые этими генами, имеют высокий уровень гомологии с белковым продуктом PsTFL1a (около 85 %) (см. таблицу). Анализ транскрипционного профиля GmTFL1a и GmTFL1b в разных тканях растения выявил различия в уровне транскрипции. Так, для гена GmTFL1a был зафиксирован высокий уровень транскрипции в незрелых семенах, в то время как в семядолях и верхушке побега экспрессия гена была значительно ниже. Для гена GmTFL1b была выявлена обратная тенденция. На основании результатов картирования и анализа экспрессии генов на роль гена — кандидата гена Dt1 был предложен ген GmTFL1b [56]. При анализе полиморфизма нуклеотидной последовательности GmTFL1b у растений с разными типами роста было обнаружено 4 однонуклеотидных замены в четвертом экзоне. Переход растений с недетерминантного типа роста на детерминантный связывают с искусственным отбором в процессе доместикации сои по четырем точечным мутациям в гене Dt1. Ген Dt1 (=GmTFL1b) является ортологом TFL1, локализован в хромосоме 19 [51]. Ген Dt2 картирован в дистальном районе хромосомы 18 [57]. Промежуточный тип роста связан с доминантной мутацией, приводящей к увеличению уровня экспрессии гена Dt2 в апексе соцветия [58]. Растения с генотипом Dt2Dt2 имеют полудетерминантный рост, в то время как индетерминантный тип роста отмечен для растений dt2dt2.

Уровень экспрессии Dt1 у образцов сои с детерминантным типом роста значительно уменьшался при переходе к цветению, в то время как у растений с индетерминантным типом роста уровень экспрессии не меняется после начала репродуктивной стадии [59]. Уровень экспрессии Dt1 в верхушке побега у 12-дневных растений, выращенных в условиях короткого светового дня, не менялся и на последующих стадиях развития растения. У образцов с индетерминантным типом роста наблюдалось значительное увеличение уровня экспрессии Dt1 через 7 дней после перевода растений в условия длинного светового дня, оставаясь на относительно высоком уровне и спустя 21 день после перевода растений в другие световые условия. Экспрессия Dt1 находится под контролем генов Е3 и Е4, кодирующих изоформы фитохрома А (phyA) GmPHYA3 и GmPHYA2 соответственно [59]. Основной функцией фитохрома является оценка соотношения красного (К) и дальнего красного света (ДКС) при естественном освещении. При различном соотношении К – ДКС происходит активация транскрипции Е3 и Е4 в условиях длинного светового дня.

У сои идентифицировано 10 гомологов FT, которые объединены в 5 пар в различных гомеологичных хромосомных участках [60]. Было выявлено два гена FT (FT2a (FTa-ген) и FT5a (FTc-ген)), которые усиливают переход к цветению. Экспрессия запускается в условиях короткого светового дня, имеет суточный паттерн с максимальным уровнем через 4 ч после темноты [60–62]. В условиях же длинного дня суточный паттерн экспрессии не отмечался. Для двух других генов FTa (FT3a и FT3b) также был определен высокий уровень экспрессии в листьях в условиях короткого дня [60]. Только один ген FTb (FT4) блокировал цветение, экспрессия гена запускалась в условиях длинного дня и регулировалась геном Е1 [63]. Ген Е1 относится к комплексу генов, контролирующих продолжительность периода вегетации и реакцию на фотопериод.

Современные методы молекулярной генетики позволили идентифицировать у фасоли 3 гомолога гена арабидопсиса TFL1 — PvTFL1x, PvTFL1y и PvTFL1z. С использованием различных подходов была показана роль гена PvTFL1y в определении типа роста [64–66] (см. таблицу). Белковый продукт гена PvTFL1y состоит из 173 аминокислотных остатков и имеет гомологию 75 % с белком TFL1 арабидопсиса. Ген состоит из интронов и четырех экзонов. У образца с детерминантным типом роста в составе четвертого экзона был обнаружен ретротранспозон размером 4100 пар оснований. У другого образца была найдена однонуклеотидная замена T453A в предполагаемом сайте сплайсинга, локализованном на конце второго экзона [66]. При изучении образцов разного географического происхождения (центральноамериканских и андийских) были идентифицированы различные мутации гена PvTFL1y [65]. Так, были обнаружены однонуклеотидные замены, а также инсерции и делеции. При этом необходимо отметить инсерцию размером 4171 пар оснований в четвертом экзоне.

Работы по изучению молекулярных механизмов контроля инициации цветения у видов рода вигна немногочисленны. В настоящее время завершены работы по секвенированию генома двух видов вигны — маша (Vigna radiata var. radiata VC1973A) [67] и адзуки (Vigna angularis) сорт Shumari [68]. Впервые представлена геномная база данных для рода вигны — Vigna Genome Server (‘VigGS’, http://viggs.dna.affrc.go.jp), продолжается работа по секвенированию геномов других видов этого рода. Коровий горох по систематическому положению наиболее близок к роду Phaseolus. Ортолог гена TFL1 у образцов Vigna unguiculata был впервые идентифицирован в 2014 г. [69]. Нуклеотидная последовательность длиной 1291 пн гена VuTFL1 высоко гомологична (90 %) последовательности гена PvTFL1y фасоли, последовательности гена Dt1 сои — 82 %. У мутантов по гену VuTFL1 определена однонуклеотидная замена в четвертом экзоне, приводящая к замене аминокислоты пролина на гистидин. Эта замена приводит к изменению функции белка.

Большинство ценных для сельского хозяйства признаков наследуется полигенно. В настоящее время активно проводятся работы по картированию локусов, ответственных за селекционно значимые признаки. Группой ученых проведено картирование таких локусов у вида V. unguiculata [70]. QTL-анализ (от англ. Quantitative Trait Loci) был проведен для ряда важных количественных признаков (вес семян, процент прорастания семян, дни до наступления цветения и т. д.), а также для 4 качественных признаков (тип роста растений, растрескиваемость и окраска бобов, архитектоника корневой системы). QTL, контролирующий тип роста, был картирован в группе сцепления LG1 между маркерами SSR7079 и SSR7068. Расположение данного локуса совпадает с позицией одного из семи QTL, контролирующих вес семян.

Для правильной дифференцировки соцветий у растений необходимо нормальное функционирование генов, отвечающих за сохранение активности меристемы апекса, а также генов, отвечающих за формирование меристемы цветка. Гены идентичности цветковых меристем LFY, AP1 и TFL1 рассматриваются как основные гены инициации цветения. Экспрессия генов LFY и AP1 подавляется белком TFL1, который блокирует активатор транскрипции FD. В связи с этим клетки апикальной меристемы продолжают пролиферацию, у растений с индетерминантным типом роста стебля этот процесс продолжается весь жизненный цикл.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Идентификация и анализ генов, отвечающих за характер типа роста стебля, необходимы для успешной селекции современных сортов. Тип роста стебля — хозяйственно ценный признак, взаимосвязанный с ростом растения в длину, продолжительностью цветения, урожайностью, устойчивостью к полеганию, а также пригодностью к механизированному возделыванию. У ряда сортов трудно различить тип роста в условиях короткого светового дня, а также в неблагоприятных условиях произрастания. В связи с этим разработка новых молекулярных маркеров, диагностирующих данный селекционно значимый признак, поможет на ранних стадиях определить тип роста стебля. Выявление молекулярных механизмов, связанных с развитием растения и переходом его к цветению, позволит перейти к более эффективному и быстрому созданию новых сортов посредством маркер-ориентированной селекции.

Статья подготовлена в рамках государственного задания ВИР согласно тематическому плану НИР по теме № 0481-2019-0001 «Геномные и постгеномные технологии для выявления новых генетических маркеров селекционно значимых свойств и новых аллельных вариантов хозяйственно ценных генов в генофонде культурных растений и их диких родичей».

Об авторах

Екатерина Александровна Крылова

ФГБНУ «ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»

Автор, ответственный за переписку.
Email: ea.krylova@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-4917-6862
SPIN-код: 5424-9513
Scopus Author ID: 35800046500

научный сотрудник, лаборатория постгеномных исследований

Россия, Санкт-Петербург

Елена Константиновна Хлесткина

ФГБНУ «ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»

Email: director@vir.nw.ru
ORCID iD: 0000-0002-8470-8254
SPIN-код: 3061-1429
Scopus Author ID: 6603368411

д-р биол. наук, профессор, директор

Россия, Санкт-Петербург

Марина Олеговна Бурляева

ФГБНУ «ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»

Email: m.burlyaeva@vir.nw.ru
ORCID iD: 0000-0002-3708-2594
SPIN-код: 7298-0174
Scopus Author ID: 6507877753

канд. биол. наук, ведущий научный сотрудник, отдел генетических ресурсов зерновых бобовых культур

Россия, Санкт-Петербург

Маргарита Афанасьевна Вишнякова

ФГБНУ «ФИЦ Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова»

Email: m.vishnyakova@vir.nw.ru
ORCID iD: 0000-0003-2808-7745
SPIN-код: 2802-9614
Scopus Author ID: 6603209207

д-р биол. наук, профессор, гл. научный сотрудник, рук. отдела генетических ресурсов зерновых бобовых культур

Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

Дополнительные файлы