Рис. 9.1. Особенности жизненного цикла растения
Растения могут размножаться половым путем (образование гамет, оплодотворение и образование семян (правая часть рисунка) и бесполым (соматическим) путем (вегетативное размножение, де- и редифференцировка или эмбриогенез (левая часть рисунка). Тело высшего растения (корни, стебель, цветок) — диплоидный спорофит. При мейозе число хромосом уменьшается вдвое. Если у животных продукты мейоза образуют гаметы без дальнейшего деления и они сливаются с образованием диплоидного ядра, то у растений образуются гаплоидные мужской или женский гаметофиты в результате двух или трех митотических делений, соответственно. В конечном итоге пыльцевая трубка содержит одно вегетативное (белое) и два генеративных (черные) ядра. Два генеративных ядра оплодотворяют яйцеклетку (черная) и формируется центральная клетка с диплоидным ядром, произошедшим в результате слияния двух полярных ядер (желтые) Таким образом, в результате этого двойного оплодотворения и образуются диплоидный зародыш и триплоидный эндосперм, который снабжает развивающийся зародыш питанием. После прорастания семени зародыш дает начало новому спорофиту. Кроме того, большинство растений способны размножаться вегетативно благодаря активации покоящихся латеральных меристем, выросту специализированных корневых структур (клубни), амплификации в тканевых культурах или даже регенерации из индивидуальных соматических клеток после удаления клеточной стенки (протопласты). У растений часто наблюдается эндоредупликация, которая приводит к образованию полиплоидных клеток или тканей Химерные растения можно получить с помощью прививки. Поэтому генетическая и эпигенетическая информация у растений проходит гораздо меньше четко определенных путей развития зародышевой линии, чем у животных
Еще одна отличительная черта растений — существование плазмодесм (цитоплазматические мостики между клетками), которые проницаемы для небольших молекул, некоторых белков, РНК и вирусной геномной информации. Несмотря на большую взаимосвязанность, побеги растений можно срезать и привить на генетически отличные подвои (рис. 9.1). Это приведет к образованию химер, у которых вегетативные и генеративные ткани генетически различны. Поэтому хотя эпигенетические признаки и передаются по зародышевой линии, у растений они более изменчивы и обратимы, чем у животных.
Растения более толерантны к полиплоидии (умножение полного хромосомного набора), чем животные. У растений встречается множество диких и культурных полиплоидных видов (пшеница, хлопчатник, картофель, арахис, сахарный тростник, табак и другие). Полиплоидность дает им некоторые преимущества. При исследовании нуклеотидных последовательностей многих растительных геномов, включая маленький геном Arabidopsis thaliana, получены четкие доказательства дупликации исходного генома и генов. Даже диплоидные растения могут иметь полиплоидные клетки, которые возникают гораздо чаще, чем некоторые высокоспециализированные полиплоидные клетки у млекопитающих. Образование полиплоидов часто связано со значительными генетическими и эпигенетическими изменениями (см. обзор Adams and Wendel, 2005). Некоторые из этих изменений могут произойти на протяжении одного или нескольких поколений и они важны для быстрой адаптации и эволюции растений.
1.3. Растения лучше выносят некоторые методологические манипуляции, которые очень трудно применимы к млекопитающим
У животных генетические манипуляции ограничены из-за процедур, требующих генерацию мутаций и спаривание для получения гомозиготных генотипов, которые обязательны для проявления рецессивных признаков. Напротив, у растений возможен эффективный мутагенез путем химических или физических обработок или в основном с помощью хаотичных вставок помеченных трансгенов или транспозируемых элементов. Вследствие самоопыления
в последующем поколении легко появляются потомки с гомозиготными мутациями растения и расщеплением признаков по закону Менделя. Поиск мутаций в эпигенетических регуляторах основан на восстановлении экспрессии у эпигенетически инактивированных маркерных генов или снижении активности стабильно активных репортерных генов. В дополнение к такой прямой объективной методологии, быстро растущие коллекции инсерционных мутантов с определенными сайтами интеграции позволяют осуществлять обратный генетический анализ мутационных эффектов в избранных определенных генах-ортологах эпигенетических регуляторов у других модельных организмов (табл. 9.2).