Модельные организмы: арабидопсис
Неспроста мы выбрали арабидопсис героем апреля — ведь это месяц, когда всё вокруг начинает зеленеть! Этот интеллигентный сорнячок — первое растение в нашем спецпроекте о модельных организмах.
Автор
Редакторы
Какой же календарь земледельца научного работника, преподавателя или просто любителя науки может обойтись без растений, тем более в апреле? И мы в этот весенний месяц представляем вашему вниманию скромный, но чрезвычайно полезный арабидопсис, давно и прочно завоевавший стеллажи климатических камер, чашки Петри в лабораториях, а также сердца не только физиологов растений, но и генетиков, молекулярных биологов, молекулярных систематиков, биологов развития и, конечно же, генных инженеров!
Двенадцать модельных организмов
Привет! Меня зовут Сергей Мошковский. Дорогая редакция «Биомолекулы», выпустив настенный календарь о модельных организмах на 2020 год, заказала было мне лонгрид, который должен был, как суровый конвой, сопровождать календарь на сайте. Минутная слабость — сколько их было в жизни! — и я уже соглашаюсь. Но как писать? Ведь о каждой модельной скотинке, нарисованной на календаре, — как и о нескольких десятках не поместившихся туда, — написаны тома научной и даже популярной литературы. Придется писать не по-журналистски, из головы — как бы не вышло чего-то вроде поэмы «Москва — Петушки», где вместо станций — модельные организмы. Я и еще несколько авторов представляем вам на суд собранье пестрых глав — они будут выходить в течение всего 2020 года. Читатель, прости! Ты знаешь, кого за это винить!
Партнер цикла — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Находка Иоганна Таля — Первый описанный мутант арабидопсиса — Преимущества арабидопсиса как модельного объекта — Арабидопсис помогает выявить роль ауксина в морфогенезе — Арабидопсис и другие растительные модельные объекты
История арабидопсиса начинается в далеком 1577 году, когда увлечение врача Иоганна Таля ботаникой привело к созданию книги о флоре гор Гарц (Центральная Германия), в которой среди прочих объектов он описал маленькое незаметное растение Pilosella siliquosa [1]. Спустя почти два столетия Карл Линней, упорядочивая систему растительного мира, нашел, что по своим признакам наш герой ближе всего к резухе (Arabis) и отнес его к этому роду, присвоив ему видовой эпитет thaliana — дань памяти о Тале. Шло время, систематика совершенствовалась, и вот в 1842 году немецкий ботаник Густав Хейнхольд перевел наше скромное растение в род Arabidopsis (то есть «подобный резухе», ну или, как сейчас его часто называют, резуховидка), и оно получило видовое название, столь знакомое в настоящее время миллионам людей по всему миру — Arabidopsis thaliana, — а также стало типовым видом рода Arabidopsis.
Сейчас, когда говорят об арабидопсисе, мы в первую очередь вспоминаем многочисленные мутантные формы этого растения, особенно с морфогенетическими дефектами, однако мало кто знает, что первого мутанта арабидопсиса, упоминающегося в научной литературе, нашел под Берлином еще в 1873 году ботаник Александр Браун. Вероятнее всего, мутация была в гене agamous — одном из генов, определяющих разметку цветка. И все же мы не можем не задаться вопросом, неужели эта случайность привела к тому, что арабидопсис к началу XXI века стал самым изученным растением на Земле?
Конечно, гораздо логичнее, на первый взгляд, было бы выбрать в качестве «эталона» для исследований по генетике, физиологии, биологии развития растений какое-нибудь ценное с хозяйственной точки зрения растение вроде пшеницы, чем малоизвестный сорняк арабидопсис. Однако оказывается, у этого небольшого скромного растения есть немало преимуществ по сравнению с давними спутниками человека — «одомашненными» растениями. Многие растения имеют не две, а гораздо больше копий генома в своих клетках (такое явление называется полиплоидией [2]). Длительная селекция культурных растений на протяжении тысячелетий дополнительно способствовала появлению полиплоидов, поскольку увеличение числа копий генов в целом способствует наращиванию биомассы и повышению продуктивности растений. Однако полиплоидия играет злую шутку с теми, кто пытается исследовать функции конкретных генов при помощи мутагенеза, то есть вносить дефекты в определенные гены и наблюдать за тем, как будет выглядеть и развиваться растение с нарушенной функцией конкретного гена. Проблема в том, что даже при поломке двух копий гена (которые в норме есть у диплоидных организмов) в клетке будут работать оставшиеся копии, и эффекта от поломки видно не будет.
Арабидопсис же, помимо своей диплоидности, еще и обладает одним из самых маленьких ядерных геномов среди растений, который упакован всего в пять пар хромосом. Кстати, такой крохотный набор хромосом обратил на себя внимание исследователей еще в первой половине XX века. Первым, кто определил количество хромосом у арабидопсиса, стал Фридрих Лайбах, еще в 1907 году, а «растительной дрозофилой» его впервые назвала некая Н.Н. Титова (это случилось в 1935 году после экспедиции Бориса Козо-Полянского на озеро Эльтон). Правда, в дальнейшем арабидопсисом как модельным объектом продолжили заниматься в лаборатории Лайбаха, и в годы войны, а также сразу после нее (в 1945–1947 годах), появились первые мутанты арабидопсиса и была заложена коллекция, а также разработаны подходы к их получению (химический, радиационный мутагенезы) [3].
Позднее выявилось еще одно важное преимущество арабидопсиса — его можно легко трансформировать, то есть встроить в его геном чужую ДНК (исходно бактериальную), содержащую необходимую генетическую конструкцию. Например, эта ДНК может содержать последовательность, кодирующую зеленый флуоресцирующий белок GFP [4], при помощи которого можно наблюдать за распределением или перемещением интересующего нас белка (рис. 1). А еще от момента прорастания семени до момента получения новых семян проходит в среднем всего шесть недель, при этом каждое растение дает десятки тысяч семян.
«Биомолекула» много писала про трансгенные растения, способы их получения и значение для человечества: «Растения-биофабрики» [5], «Готовим ГМ-рис вместе» [6], «Трансгенные растения — спасители планеты или бомбы замедленного действия?» [7]. Предлагаем вам ознакомиться с решениями для изучения растительных клеток и манипуляций с ними (включая введение туда чужеродной ДНК), которые предлагает партнер нашего спецпроекта компания «Диаэм» (см. врезку ниже).
Рисунок 1. Белок PIP2-GFP при возбуждении светится на плазматической мембране клеток корня арабидопсиса, благодаря чему можно получить точные очертания клеток в разных плоскостях
фотография любезно предоставлена лабораторией корня кафедры физиологии растений биологического факультета МГУ (рук. с.н.с. Т.Н. Бибикова)
Арабидопсис легко выращивать в лаборатории, в том числе, в стерильных условиях in vitro, на чашках Петри (рис. 2). Для получения семян достаточно одного растения, поскольку арабидопсис легко самоопыляется. Также это маленькое растение легко исследовать на конфокальном микроскопе [8], при этом можно непосредственно наблюдать за тем или иным процессом, поскольку слоев клеток у него относительно немного. Биохимические и сигнальные пути, открытые у арабидопсиса, довольно часто (но не всегда!) оказываются идентичными таковым у других растений. А поэтому, исследовав процесс на удобном модельном объекте, уже легче разобраться с тем, как это работает у важных с хозяйственной точки зрения растений.
Рисунок 2. Арабидопсис можно выращивать в чашках Петри на агаризованной среде
фотография любезно предоставлена студентом кафедры физиологии растений биологического факультета МГУ им. Ломоносова А.А. Прохоровым
Технологии для изучения клеток растений и манипуляций с ними от компании «Диаэм»
Современная микроскопическая техника предоставляет превосходные возможности для изучения растительных и животных клеток, тканей и органов. Помимо наблюдения и документирования, микроскопы позволяют проводить манипуляции на уровне одной клетки. Для таких задач требуется микроскоп исследовательского класса, к которому подключаются специализированные помощники: микроманипуляторы, микроинъекторы, микродиссекторы, лазеры, электропораторы и генные пушки. Микроманипуляторы позволяют перемещать, отбирать или внедрять клетки. Микроинъекторы используют для введения или отбора растворов объемом всего несколько нанолитров. Микродиссекторы помогают сделать прокол в клеточной стенке с минимальным ранящим воздействием. Для многих указанных процедур используются микрокапилляры. Для переноса молекул в клетки бактерий, растений, дрожжей и млекопитающих используют электропораторы и генные пушки. Электропораторы переносят вещества в клетку под действием электрического поля, а генные пушки — под давлением газа. Для осуществления переноса и внедрения чужеродной ДНК в клетку-хозяина помимо микроинъекции также применяется упаковка в липосомы.
Рисунок 3. Микроманипуляторы и микроинъекторы
Эти методы находят широкое применение в различных областях — например, в медицине и экспериментальной биологии для экстракорпорального оплодотворения [9]. Они помогают вводить сперматозоиды в яйцеклетку, диагностировать клетки до имплантации, получать химеры и геномодифицированные модельные организмы. Применяются для введения генноинженерных конструкций в цитоплазму или ядра клеток, для регистрации внутриклеточного потенциала и трансфекции растений.
Материал предоставлен партнёром — компанией «Диаэм»
Итак, множество исследователей бросают свои силы на арабидопсис, и картина процессов, происходящих в этом растении, становится всё более полной — кусочки мозаики заполняют пробелы в наших знаниях. Но, безусловно, это не было бы возможно без амбициозного проекта секвенирования генома арабидопсиса, который проходил параллельно с проектом чтения человеческого генома [10]. Дело было окончено в 2000 году, и к 2010 году была поставлена не менее амбициозная цель — выяснить функции каждого гена арабидопсиса. Проект принес нам появление карт, показывающих, насколько активен тот или иной ген в различных тканях, органах и на разных стадиях развития. Сегодня наиболее полная информация об арабидопсисе сведена в огромную базу данных — The Arabidopsis Information Resource (TAIR). Также ресурсный центр занимается культивированием и распространением семян разнообразных мутантных линий арабидопсиса.
Благодаря календарю модельных организмов «Биомолекулы» (см. рис. 5) читатель уже познакомился с некоторыми увлекательными сюжетами, которые удалось раскрыть при помощи нашего героя — это и модель разметки цветка, и передача сигнала гормона растений цитокинина. На сегодняшний день не найдется процесса, который не был бы хоть сколько-то изучен при помощи мутантов и генноинженерных конструкций арабидопсиса, поэтому я как автор оказываюсь в затруднительном положении: какому сюжету отдать предпочтение? Лично меня в последние годы чрезвычайно увлекает исследование роли фитогормона ауксина как морфогена [11], то есть разметчика будущих органов, их частей или тканей. Судите сами, какая захватывающая картина открылась перед исследователями!
Ауксин известен как фитогормон еще со времен Дарвина. Хорошо известно, что он вызывает рост растяжением, важен для контроля деления клеток (как напарник других гормонов), необходим для реакций тропизмов (роста в сторону определенного сигнала или от него). Для транспорта этого гормона необходимы специфические белковые транспортеры, среди которых наиболее известны белки PIN [11]. Без участия этих и еще нескольких белков ауксин не может выйти из клетки и попасть в другие. Это и предопределило его исключительную роль в морфогенезе. Потоки ауксина «рисуют» будущую проводящую систему листа (рис. 4): там, где формируется мощный поток этого гормона, закладывается прокамбий — ткань, дающая начало разным типам клеток проводящей системы [12].
Рисунок 4. Развитие листа арабидопсиса и роль ауксина. Флуоресцентно-меченные белки-переносчики ауксина PIN1-GFP «рисуют» жилки будущего листа в 5-дневном листе арабидопсиса (слева). Справа — фотография 5-дневного листа, где при помощи GUS-окрашивания (синим) показано положение белка-мáркера будущего прокамбия (ткани, дающей начало проводящим пучкам). Заметно, что разметка при помощи белка PIN1 опережает появление этого маркера, что говорит о важной роли потоков ауксина как сигнала для разметки проводящих пучков в листе.
Положение будущих листьев на поверхности побеговой меристемы (то есть верхушечной точки роста, которая дает прирост побега и закладку боковых побегов и листьев) тоже, оказывается, определяется «пятнами» максимальной концентрации ауксина [13]. На самых ранних стадиях развития зародыша растения тоже необходим ауксиновый «рисунок» — он размечает и положение корневой меристемы (той зоны, которая будет давать начало новым клеткам корня), и проводящей системы, и места закладки семядольных листьев [14].
Зеленый флуоресцентный белок (и белки других цветов) сыграли и продолжают играть огромную роль в современной молекулярной биологии, выполняя функцию «репортеров с места действия» (см. нашу статью «Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи» [15]). За открытие и применения GFP в 2008 году вручили Нобелевскую премию по химии [4].
Для ауксина такими важными белками оказались разнообразные PIN — наблюдая за их расположением, исследователям удалось [11] нарисовать реальные потоки ауксина в растительном организме! Еще бóльшую пользу принесли специальные светящиеся конструкции DR5-GFP и другие, которые показывают, насколько активны в тканях, которые мы наблюдаем под микроскопом, гены ответа на ауксин. Плюс к этому, для арабидопсиса получена (и сейчас продолжает пополняться) обширная коллекция мутантов по биосинтезу, транспорту и передаче сигнала ауксина. Всё вместе это образует мощный инструмент для изучения процессов, в которых задействован ауксин, а также другие гормоны, сигнальные пептиды, различные стрессовые сигналы. И этот список можно продолжать очень долго!
«А как же другие растения?» — спросит читатель. Все эти данные требуют проверки на других объектах. Действительно, сейчас секвенированы геномы огромного количества растений, интересных человечеству как с практической, так и с научной точек зрения. Получен геном риса, имеется обширная коллекция его мутантов, подобраны модельные объекты для исследований споровых растений: среди мхов это Physcomitrella patens, среди плаунов — род Selaginella. Найден модельный объект для злаков — род Brachipodium. Более того, есть некоторые особенности, характерные именно для арабидопсиса, которые нельзя экстраполировать на другие растения. Так, известно, что крестоцветные, к которым относится и арабидопсис, синтезируют специфические вторичные метаболиты — глюкозинолаты (о которых мы рассказывали в календаре — обратите внимание на рисунок 5). Интересно другое: оказывается, одна из минорных ветвей синтеза ауксинов может переключаться на синтез этих вторичных метаболитов, следовательно, уровень синтеза ауксина может повышаться при снижении синтеза вторичных метаболитов (у мутантов по синтезу глюкозинолатов повышено содержание ауксинов).
Рисунок 5. Арабидопсис — герой календаря «Биомолекулы». Этот календарь мы сделали в 2019 году и даже провели на него весьма успешный краудфандинг. У тех, кто успел приобрести календарь, арабидопсис уже зеленеет на стенке, ну а с прочими мы делимся хайрезом этого листа — скачивайте, печатайте и вешайте над столом! Ну а кто всё же хочет приобрести бумажный экземпляр — приглашаем в интернет-магазин «Планеты.ру»!
Несмотря на подобные ограничения, старый добрый арабидопсис — одно из первых растений, о которых думают исследователи, желающие выявить молекулярную «подноготную» какого-либо процесса, протекающего в растениях и, возможно, обнаруженного на другом объекте.
Арабидопсис на Земле и в космосе
Резуховидка (или резушка) Таля, известная также как арабидопсис (лат. Arabidopsis thaliana, семейство Капустные) – однолетнее, редко двухлетнее, цветковое травянистое растение, происходящее из регионов Евразии и Африки. Сегодня его можно встретить практически на всех континентах и во всех климатических зонах, исключая зону вечной мерзлоты. Широко распространено как сорная культура на пустошах, обочинах дорог, железнодорожных насыпях, бросовых землях, на полях, в общественных садах и других открытых территориях с сухой, рыхлой и относительно плодородной песчаной почвой. Часто является пионером в освоении скалистых, песчаных, известковых участков, а также территорий с нарушенной средой обитания.
Впервые арабидопсис был описан в 1577 году немецким ботаником Йоханнесом Талом (1542 – 1583), который назвал его Pilosella siliquosa. А в 1753 году известный шведский учёный Карл Линней (1707 – 1778) переименовал это растение в честь Тала, после чего оно стало известно как Arabis thaliana. Британский естествоиспытатель Чарльз Александр Джонс (1811 – 1874) в своей популярной книге «Flowers of the Field» упоминает об арабидопсисе как совершенно неприметной культуре, состоящей из розетки невзрачных, серовато-зелёных, иногда с пурпурным оттенком по краям зубчатых листьев и тонких, невысоких (5 – 30 см) ветвящихся стеблей.
Во время цветения на них образуются мелкие, 2 – 4 мм в диаметре, белые, четырёхлепестковые цветы, собранные в щитковые верхушечные соцветия. В ночное время или дождливую погоду соцветия наклоняются к земле, чтобы сохранить пыльцу от влаги. Растение самоопыляемо на 99%. Возможно также и перекрестное опыление арабидопсиса одинокими пчелами, трипсами и другими мелкими насекомыми, но ввиду его ничтожных размеров почти не распространено.
Развитие, цветение культуры и созревание плодов происходит преимущественно в апреле – мае, но, как типичный полевой сорняк, арабодопсис может расти и в другое время. Его корневая система состоит из центрального стержневого корня, достигающего в глубину до 40 см, от которого образуются более тонкие и мелкие боковые. Корневая система вступает в симбиоз с определёнными представителями ризосферных бактерий (Bacillus megaterium). Плод арабидопсиса представляет собой стручок длиной 5 – 20 мм, внутри которого находятся от 20 до 30 шт. мелких (шириной около 1 мм и длиной 1 – 2 мм) семян цилиндрической формы.
Арабидопсис – типичный представитиель эфемеров, его короткий жизненный цикл длится около шести – восьми недель. То есть за год растение может произвести до 8 поколений, каждое из которых образует более 1000 семян. Самое удивительное свойство арабидопсиса состоит в том, что его геном – один из самых коротких среди цветочных растений и составляет всего 157 Мbp (млн. пар нуклеотидов ДНК), а количество пар хромосом равно пяти и содержит примерно 25 500 генов.
Учитывая при этом возможность выращивания растения в маленьком, ограниченном пространстве, благодаря его небольшим размерам, арабидопсис представляет собой идеальный материал для исследований по изучению генетической, клеточной и молекулярной биологии цветковых растений. Его легко можно выращивать в лабораторный условиях, используя чашки Петри и ультрафиолетовое освещение. По популярности среди молекулярных биологов и ученых-генетиков арабидопсис успешно соперничает с дрозофилой фруктовой и домовой мышью, являясь их аналогом в растительном мире.
Ботаники и биологи занялись исследованием Arabis thaliana в начале 1900-х годов, а первое систематическое описание мутирующих форм появилось в 1945 году. В 1956 году генетик Джоржд Редей представил в США это растение для генетических изысканий. Немецкий ботаник Фридрих Лайбах вместе со студентами продолжили исследования с этим растением в Европе, а ученый Джон Лангридж из Австралийского национального университета и немецкий ученый-агроном, генетик Герхард Рёбеллен также выбрали в качестве объекта для изучения в своих тезисных проектах арабидопсис.
В 1965 году, в Гёттингене (Германия) состоялась первая международная научная конференция по результатам изучения арабидопсиса. И уже с 1980-х годов растение широко используется в исследовательских лабораториях во всем мире. Среди возможных претендентов на роль генетической модели, включавших такие культуры как кукуруза, табак и петуния, предпочтение было отдано арабидопсису Таля. Особый успех растения в качестве генетического модельного объекта датируется 1986-м годом, когда была описана трансформация, связанная с Т-ДНК и получен первый клонированный ген Arabis thaliana. Различные опыты с арабидопсисом привели к многочисленным открытиям в приобретении знаний о механизме повышения устойчивости растений к различным заболеваниям.
Арабидопсис стал первым растением, чей геном был полностью секвенирован, т. е. полностью определена последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК (2000 г.). Но, пожалуй, наиболее удивительный факт, связанный с этой культурой – это то, что арабидопсис оказался первым растением, выращенным в космосе, в условиях отсутствия гравитации. В 1982 году, на борту космической орбитальной станции «Салют-7» из привезенных с Земли семян арабидопсиса удалось получить полноценное растение, которое после цветения дало новые семена в количестве 200 шт. и полностью завершило свой жизненный цикл за период, равный 40 суткам.
Сегодня на Международных орбитальных станциях Европейского космического агентства продолжаются текущие исследования Arabis thaliana с целью изучения роста и размножения растений в условиях микрогравитации, их реакцию на световые и гравитационные факторы. Эти новые знания помогут расширить возможности и усовершенствовать технологии выращивания различных культур, в т. ч. сельскохозяйственных, с целью повышения их урожайности в условиях Земли и космоса.
Всё о бегониях и не только.
Бабочка на хризантеме
Страницы
суббота, 8 ноября 2014 г.
Резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana): законы генетики и многое другое
Сорняк поставил под сомнение законы генетики.
Резуховидка Таля имеет большое значение как объект изучения генома растений. В 2000 году был полностью расшифрован генетический код резуховидки, ставшей с тех пор образцом для понимания молекулярной биологии многих свойств растений. Учёные утверждают, что растения во время атаки способны выделять вещества, которые будут привлекать микроорганизмов-защитников. Исследователи заметили, что в строго назначенное вечернее время арабидопсис как по команде начинает выделять гормон жасминат, защищающий его от гусениц. И это время совпадает с началом ужина гусениц капустной совки.
Растения постоянно общаются между собой на химическом уровне. Одним из средств передачи информации между растениями служит дружественный для них вид грибов, разветвление мицелия которых подсоединяется к корневой системе растений. Таким образом, растения, подвергшиеся нападению насекомых-вредителей или птиц, незамедлительно передают информацию другим своим собратьям, имеющим с ними информационную связь посредством грибной микоризы. Благодаря таким простым и гениальным средствам подземной коммуникации растения избегают распространения опасных заболеваний. Биохимические сигналы, которые пропускают через себя сети микоризы, есть, пожалуй, не что иное, как информация в её чистом, первозданном виде. Таким образом, растения разных видов могут находить между собой общий язык, в чём и заключается секрет многообразия флоры нашей планеты и её жизнестойкости.
Реакция растений различается в зависимости от того, лучом какого цвета на них воздействовать. Более того, если такой световой сигнал уловят только отдельные листья резуховидки, то реакция на него незамедлительно последует от всего растения.
Исследователи из Университета Миссури провели ряд сенсационных опытов, которые показали, что растения способны чувствовать, мыслить и даже общаться (воспринимать звуковые волны). Учёные опубликовали научный доклад, в котором говорится о том, что растения Arabidopsis воспринимают звуки, издаваемые гусеницами, поедающими листву.
По мнению учёных, услышав эти звуки, растения начинают защищаться от агрессора. Исследователи записали звуки, которые издаёт гусеница, поедая листья, после чего убрали гусеницу и воспроизвели возле растения только звуки. При этом ученые обнаружили, что Arabidopsis принялись синтезировать больше горчичного масла, предназначенного для защиты от вредителей.
Руководитель научной группы Хайди Аппель считает, что растение реагирует на вибрации. При этом усиливается производство отравляющего вещества.
