Генетика розвитку рослин

Генетика розвитку рослин (біологія розвитку рослин) - приватна галузь генетики, що вивчає особливості розвитку рослин, гени, експресуються і забезпечують нормальне формування і функціонування тканин і органів рослин.

Генетика розвитку рослин є одним з найбільш бурхливо розвиваються напрямків сучасної генетики, яке має величезне фундаментальне і прикладне значення. В даний час у ряді вітчизняних вузів біологічного та сільськогосподарського профілю здійснюється підготовка фахівців для роботи в різних галузях біології та генетики розвитку рослин.


1. Становлення науки

Сучасний стан біології характеризується бурхливим переходом від описового відображення дійсності до розшифровки конкретних закономірностей, що лежать в основі живої природи. При цьому традиційні біологічні питання типу "як виглядає об'єкт?" і "що з ним відбувається?" змінилися на зовсім нові - "чому він виглядає саме так?" і "як він функціонує?".

Безумовно, спроби відповісти на ці питання неодноразово робилися і раніше. Однак по-справжньому можливим це стало лише з розумінням того, що кожен прояв життя, яким би складним воно не здавалося, є в кінцевому підсумку результатом функціонування певних молекул при всьому різноманітті їх взаємодій. Сучасна наука має всього лише двома прямими підходами, що дозволяють досліджувати біологічні функції молекул. Перший підхід полягає в аналізі наслідків, викликаних інактивацією певних молекул організму (цього можна досягти, або використовуючи вузько специфічні інгібітори, або одержуючи мутації, що порушують нормальний біосинтез саме даних молекул). Навпаки, альтернативний підхід передбачає збільшення активності досліджуваних молекул або при їх додаванні ззовні, або за рахунок посилення їх біосинтезу in vivo (наприклад, у випадку трансформації організму додатковими копіями відповідного гена). При цьому, незалежно від обраного підходу, основну роль у таких дослідженнях відіграють методи молекулярної біології і генетики. Саме з цієї причини синтез молекулярно біологічного і генетичного підходів, що отримав назву молекулярна генетика, став провідною ідеологією більшості напрямків сучасної біології. Одним із таких напрямів є біологія розвитку. Якщо у своєму первісному вигляді ця наука сформувалася на стику ембріології, фізіології і цитології, то саме використання молекулярно-генетичних підходів дозволяє успішно розчленовувати складні процеси розвитку на безліч "елементарних" стадій, кожна з яких обслуговується строго визначеними молекулами і контролюється особливою групою генів.

У той же час, враховуючи значну своєрідність вищих рослин, правомочна поставити наступне питання: чи існують якісь особливості клітинної диференціювання або морфогенезу, характерні тільки для даної групи еукаріотів? У цьому плані молекулярна генетика розвитку рослині безсумнівно представляє не тільки фундаментальний, але й величезний практичний інтерес.


2. Історія

За свою більш ніж 200-річну історію біологія розвитку вищих рослин пройшла через кілька етапів, що відображають поступову еволюцію поглядів на сутність досліджуваної проблеми.

  • На першому з цих етапів практично вся увага приділялася лише загальному опису розвитку вищих рослин стосовно до конкретних видів або більш великим таксономічним одиницям.
  • З початком другого етапу, основні інтереси дослідників були переключені на аналіз різноманітних зовнішніх факторів (таких як освітленість, температура, хімічний склад навколишнього середовища і т. п.), що роблять істотний вплив на розвиток рослин.
  • Центральною подією третього етапу стало виявлення ендогенних сполук, що здійснюють регуляцію розвитку організму (у разі рослин подібні речовини були названі фітогормонами). На цьому етапі неодноразово робилися спроби пояснити всі закономірності розвитку рослин саме за рахунок особливостей функціонування фітогормональної систем.
  • Початок четвертого етапу було ознаменоване виявленням окремих мутацій, що не зачіпають фітогормональної систему, але помітно впливають на процеси розвитку рослини. Ці дані переконливо свідчили про те, що щонайменше деякі процеси розвитку контролюються у вищих рослин не тільки фіто гормональною системою, але й певними генами. Втім, жодних уявлень про конкретну ролі подібних генів ще сформульовано не було.
  • Сучасний (п'ятий) етап оперує вже не окремими генами, а так званими генетичними програмами розвитку. Кожна така програма являє собою певну послідовність з численних "елементарних" подій, що лежать в основі морфогенезу або ж клітинної диференціювання. При цьому будь-яке з розглянутих подій (іншими словами - будь молекулярний процес у складі окремої програми розвитку) є закономірним результатом попереднього і служить безпосередньою причиною подальшого. Таким чином, кожну подібну програму можна розглядати в якості конкретної причинної основи закономірного розвитку організму.

3. Напрямки

Генетика розвитку рослин проводить свої дослідження в наступних напрямки:

  1. Генетичний контроль онтогенезу
  2. Генетичний контроль сигнальних шляхів
  3. Генетичні механізми регуляції експресії генів
  4. Генетичні механізми, контролюючі взаємодії клітин і тканин

4. Методи

  1. Методи класичної генетики:
    • Клональний аналіз (використання генетичних химер)
    • Мутаційний аналіз
    • Генетичний аналіз
  2. Методи фізіологічної і біохімічної генетики
    • Біометричний аналіз
    • Молекулярно-генетичний та системний підходи
    • Вивчення біосинтезу білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот
  3. Методи молекулярної генетики
    • Клонування та молекулярний аналіз генів
    • Вивчення експресії генів
  4. Методи генетичної трансформації
    • Функціональний аналіз клонованих генів
    • Аналіз клонів

5. Основні поняття

Онтогенез (індивідуальний розвиток, від грец. ontos - істота і лат. genesis - походження) рослини - це природний процес з послідовною зміною кількох вікових етапів, серед яких прийнято виділяти:

  1. Ембріональний - від зиготи до дозрівання насіння (включно).
  2. Ювенільний - від проростання насіння до початку формування репродуктивних органів.
  3. Зрілість і розмноження-закладка і розвиток репродуктивних органів, утворення насіння і плодів.
  4. Старість і відмирання

В онтогенезі реалізуються потенції генотипу в певних умовах середовища, в результаті чого формуються рослини певного фенотипу.

Онтогенез рослини включає в себе два істотні аспекти: власне життя особини (вона починається зі стадії зиготи і триває аж до природної смерті) і відтворення нових особин (також починається з зиготи, але закінчується формуванням гамет).

В процесі еволюції у вищих рослин сталося просторове суміщення гапло-й діплофаз в одному організмі: Гаметофіт розвивається прямо на спорофіті. Цей момент дуже важливий, оскільки спорофіт має власну ефективну систему захисту, за рахунок чого захищеним стає і гаметофіт.

Зростання - поняття, що характеризує необоротні кількісні зміни, що відбуваються під час розвитку організму.

Диференціація - якісні зміни, що відбуваються в процесі розвитку організму поряд з кількісними.

Морфогенез - це процес формоутворення, тобто закладки, росту і розвитку органів рослини. Таким чином, диференціювання, ріст і морфогенез є тісно взаємопов'язаними процесами.

Детермінація - процес, коли диференціювання приводить до необоротної зміни клітин. Цей процес називають


6. Модельні рослини

Генетика розвитку в своїх дослідженнях використовує модельні рослини. Такі рослини повинні мати короткий цикл розвитку, мати невелику кількість хромосом і володіти високою плодовитістю.

  • Резуховідка Таля Arabidopsis - гени онтогенезу, гени розвитку коренів, пагонів, листя і квіток
  • Левиний Зів Antirrhinum majus - гени розвитку квітки та суцвіть, пагонів і листя

Результати, отримані при вивченні модельних рослин, можна екстраполювати на рослини, які важко вивчити.


Література

  1. Біологія розвитку (у трьох томах). М.: Мир. 1994.
  2. Інге-Вечтомов С. Г. Генетика з основами селекції. М. Вища школа. 1989. 592 з.
  3. Л. А. Лутово, Н. А. Проворов, О. Н. Тіходєєв, І. А. Тихонович, Л. Т. Ходжайова, С. О. Шишкова Генетика розвитку рослин / Под ред. чл.-кор. РАН С. Г. Інге-Вечтомова. Санкт-Петербург, Наука. 2000. 6-13 с.
  4. Льюнн Б. Гени. М.: Мир, 1987.
  5. Молекулярна біологія клітини (у трьох томах). М - Світ. 1994. Т. 1. 516 з; Т. 2. 540 з; Т. 3. 504 з.
  6. Польовий В. В. Фізіологія рослин. М: Вища школа. 1989. 464 з.
  7. Уорінг Ф., Фнллнпс І. Ріст рослин і диференціювання. М.: Мир. 1984. 512 с.