Изменчивость строения цветка. Биология объекта.

Цель занятия — демонстрация природной изменчивости строения цветка, знакомство с методами, позволяющими вычленить модификационную, онтогенетическую и мутационную составляющие этой изменчивости.

В современной биологии развития растений одной из самых излюбленных моделей является цветок. Это связано с его сравнительно небольшими размерами, довольно короткими сроками формирования, но в то же время достаточно сложным строением.

Цветок — это видоизмененный укороченный побег, служащий для генеративного размножения. В разных таксономических группах покрытосеменных структура цветка варьирует в широких пределах.

Тем не менее, все известное разнообразие цветков можно свести к вариациям одного и того же плана строения, включающего элементы четырех типов:

чашелистики,
лепестки,
тычинки,
плодолистики.

В таком «идеальном» цветке элементы расположены в виде четырех концентрических «кругов». Первый (то есть наружный) круг образован чашелистиками, второй — лепестками, третий — тычинками и, наконец, самый внутренний — плодолистиками, которые могут срастаться в один или несколько пестиков.

При этом, любые известные типы цветков можно представить как производные «идеального» за счет варьирования всего по нескольким признакам:

Наличия или отсутствия элементов определенного круга;
Количество, формы, размера и окраски определенных элементов;
Наличия или отсутствия срастания между элементами;
Наличия или отсутствия четкой границы между кругами;
Превращения некоторых элементов цветка в новые специализированные структуры (например, в нектарники);
Типа симметрии цветка (актиноморфные цветки имеют несколько осей симметрии, а зигоморфные — только одну).

В соответствии с современными представлениями, развитие цветка — это сложный многоступенчатый процесс, в котором каждый из этапов контролируется особыми генами. Мутации по какому-либо из этих генов приводят к определенным нарушениям процесса развития, в результате чего формируются аномальные цветки. Детально изучая подобных мутантов, можно выявить роль каждого конкретного гена (а значит, и соответствующего белка) в процессах развития цветка. Этот подход широко применяется уже более 10 лет в отношении двух таксономически далеких видов двудольных: резуховидки Таля (Arabidopsis thaliana (L.) Heinh., семейство крестоцветные) и львиного зева (Antirrhinum majus L., семейство норичниковые). Полученные данные позволили выявить молекулярные механизмы развития цветка, универсальные для всех покрытосеменных.

Изменчивость признаков развития цветка Arabidopsis thaliana.

Arabidopsis thaliana — это маленькое однолетнее растение с очень коротким жизненным циклом: в оптимальных условиях он составляет около трех месяцев. Вскоре после прорастания семени формируется прикорневая розетка, состоящая обычно из 8 — 10 листьев. Вслед за этим апикальная меристема побега преобразуется из вегетативной в генеративную, в результате чего происходит развитие соцветия. В свою очередь, на формирующемся соцветии закладываются вторичные меристемы, судьба которых может быть различной. Так, нижние вторичные меристемы не меняют своей программы развития, а потому дают начало боковым генеративным побегам. Аналогичные меристемы, расположенные выше по соцветию, обеспечивают образование отдельных цветков. Таким образом, каждый цветок возникает из особой меристемы, претерпевшей (по сравнению с исходной апикальной меристемой побега) два последовательных переключения программы развития.

Сформированная цветочная меристема продуцирует серию однотипных зачатков, которые в дальнейшем дифференцируются в чашелистики, лепестки, тычинки и плодолистики. Именно на этих этапах определяется конкретная структура цветка. Как и у большинства представителей семейства крестоцветных, нормальный цветок Arabidopsis thaliana содержит 4 чашелистика, 4 лепестка, 6 тычинок и 2 срастающихся плодолистика. Однако получено много мутантов с различными нарушениями данной структуры. При этом особого внимания заслуживают мутанты, у которых одни элементы цветка замещены на другие. Такие мутанты принято называть гомеозисными.

У мутантов по гену АРЗ (от apetala, то есть «безлепестковые») вместо лепестков образуются дополнительные чашелистики, а вместо тычинок — еще один круг плодолистиков. Такие же аномалии цветка характерны и для мутантов по гену PI (отpistillata, то есть «многопестичные»). Совсем иначе выглядят цветки у мутантов по гену АР2: в этом случае вместо лепестков развиваются отдельные тычинки, а наружный круг элементов представлен уродливыми плодолистиками. Наконец, у мутантов по гену AG (от agamous, то есть «бесполые») вместо плодолистиков и тычинок образуются, соответственно, чашелистики и лепестки.

Важно отметить, что у каждого гомеозисного мутанта нарушается программа развития двух соседних кругов элементов цветка.

Между тем, остальные два круга элементов не испытывают каких-либо ярких изменений. Эти факты позволили сформулировать следующие принципы развития элементов цветка:

Вся цветочная меристема «подразделена» натри концентрические зоны, различающиеся между собой по наличию регуляторных молекул. Именно эти молекулы определяют судьбу формирующегося зачатка. Наружная зона меристемы содержит регуляторные молекулы «А», обеспечивающие формирование чашелистиков. Структура этих молекул кодируется геном АР2. Внутренняя зона меристемы содержит регуляторные молекулы «С», отвечающие за развитие плодолистиков. Данные молекулы кодируются геном AG. Регуляторные молекулы «А» и «С» не только являются функциональными антагонистами, но и препятствуют распространению друг друга на всю цветочную меристему. В промежуточной зоне меристемы функционирует еще один тип регуляторных молекул — «В». Взаимодействуя с молекулами «А», они переключают программу развития зачатка, в результате чего формируется не чашелистик, а лепесток. Вместе с тем, взаимодействие между молекулами «В» и «С» приводит к образованию не плодолистика, а тычинки. При этом, каждая регуляторная молекула «В» состоит из двух различных субъединиц, кодируемых генами АРЗ и PI.

Таким образом, в норме цветочная меристема подразделяется на 4 концентрических «круга» (рисунок 6.1). В первом из них функционируют молекулы «А», поэтому здесь развиваются чашелистики. В следующем круге присутствует уже два типа регуляторных молекул («А» и «В»), что приводит к образованию лепестков. В третьем круге, благодаря наличию молекул «С» и «В», происходит формирование тычинок. Наконец, в четвертом (то есть центральном) круге функционируют только молекулы «С», а потому здесь развиваются плодолистики.

Распределение регуляторных молекул А, В и С в цветочной меристеме нормальных и мутантных растений Arabidopsis thaliana: Левый край рисунка соответствует наружному краю цветочной меристемы, правый — центральной зоне;

«Ч», «Л», «Т» и «П» — чашелистики, лепестки, тычинки и плодолистики; — нормальный цветок (дикий тип)\ — мутант по гену АРЗ илиР1 — мутант по гену АР2; — мутант по гену AG.

Данная схема развития (ее часто называют «моделью ЛВС») позволяет объяснить строение не только нормальных, но и мутантных цветков Arabidopsis thaliana. Так, для мутантов по гену АРЗ или PI характерна дефектность регуляторных молекул «В», в результате чего в цветочной меристеме функционируют только молекулы «А» и «С» (рисунок 6.2). При этом, зачатки и первого, и второго кругов развиваются по одной и той же программе, образуя в сумме 8 чашелистиков. Аналогично, и в третьем, и в четвертом кругах происходит формирование плодолистиков. В итоге возникает мутантный цветок, не имеющий ни лепестков, ни тычинок.

У мутантов по гену АР2 наблюдается более сложная ситуация.

Для них характерна дефектность молекул «А», в результате чего регуляторные молекулы «С» распространяются на всю цветочную меристему (рисунок 6.3). В соответствии с этим, и в первом, и в четвертом кругах функционируют только молекулы «С», что приводит к развитию здесь плодолистиков. Между тем, из зачатков второго и третьего круга (в них присутствуют молекулы «В» и «С») формируются исключительно тычинки. Таким образом, у рассматриваемых мутантов образуются цветки с симметричным расположением кругов элементов: плодолистики — тычинки — тычинки- плодолистики.

Симметричное расположение кругов характерно и для мутантов по гену AG (рисунок 6.4). Однако из-за дефектности молекул «С» такие цветки лишены плодолистиков и тычинок, а содержат лишь чашелистики и лепестки. Кроме того, данный молекулярный дефект вызывает еще одну интересную аномалию: цветочная меристема не утрачивает свою активность и после закладки всех четырех кругов элементов. Поэтому, в центре цветка постепенно происходит закладка все новых и новых зачатков. Именно такие мутанты послужили основой для создания «махровых» форм декоративных цветов (в центре культурной розы находятся чашелистики).

Что же будет с развивающимися зачатками при дефектности всех трех регуляторных активностей?

Такая ситуация наблюдается у растений, одновременно мутантных по генам AG, АР2 и АРЗ (или PI). В этом случае возникают аномальные цветки, напоминающие прикорневую розетку листьев. Это наглядно свидетельствует о том, что все элементы цветка Arabidopsis thaliana являются гомологичными структурами и представляют собой модифицированные листья.

Рисунок. 7. Мутант по гену AG Ranunculus acris и растение «дикого типа» (фото В.Д. Симаненко)

Гипотеза о листовом происхождении элементов цветка была предложена еще великим Гете (Goethe, 1790).

Он полагал, что судьба формирующегося зачатка определяется «растительными соками», закономерно изменяющими свой состав в зависимости от зоны меристемы. Однако, несмотря на множество косвенных подтверждений, эта гипотеза оставалась недоказанной вплоть до конца XX столетия. И лишь создание модели ABC позволило суверенностью говорить о гомологии и листовом происхождении всех элементов в составе любого цветка.

Модель ABC получила экспериментальное подтверждение на целом ряде видов покрытосеменных, включая львиный зев, томаты, табак, щавель, кукурузу и многие другие. В настоящее время ее считают универсальной для всех цветковых растений. Гомеозисные мутанты покрытосеменных можно встретить, хотя и редко, в природных популяциях (рисунок 7).