Цветение закладывается в регуляции генов на эмбриональной стадии

Исследователи из Института молекулярной биологии растений Грегора Менделя Австрийской академии наук и Центра Джона Иннеса в Норидже (Великобритания) установили, что механизмы регуляции генов на ранней эмбриональной стадии определяют поведение растения Arabidopsis при цветении на более поздних этапах развития. Статья опубликована в журнале PNAS.

Как ранние события влияют на цветение

Исследование показывает, что механизмы регуляции генов, заложенные в ранних эмбрионах, предопределяют важные физиологические последствия, которые проявляются гораздо позже.

Регуляция ключевого гена FLC

Переходы между фазами развития контролируются точным количественным регулированием экспрессии генов. Десятилетия исследований были сосредоточены на репрессоре цветения Arabidopsis — FLC (Flowering Locus C). Этот белок по умолчанию начинает вырабатываться в эмбрионе растения после оплодотворения. Множественные молекулярные пути регулируют его уровень экспрессии, чтобы цветение происходило только в ответ на благоприятные условия окружающей среды. Этот процесс, называемый «яровизацией», гарантирует, что растения перезимуют перед цветением, а не будут цвести несколько раз в год («привычка быстрого цикла»).

Антагонизм активатора и репрессора в эмбрионе

Команда исследовала антагонистические функции активатора FLC — FRIGIDA (FRI) и репрессора — FCA (Flowering time control protein) на определённых стадиях эмбрионального развития Arabidopsis.

  • Роль FCA: способствует присоединению поли-аденинового (poly-A) хвоста близко к сайту начала транскрипции мРНК FLC. Это приводит к образованию более короткой и нефункциональной версии белка FLC.
  • Роль FRI: способствует присоединению poly-A хвоста дальше по мРНК FLC, что приводит к образованию более длинной и функциональной версии FLC.

Максимальный антагонистический эффект FRI против FCA происходит на ранней стадии развития эмбриона («стадия сердца»). Это приводит к повышенным уровням экспрессии FLC и, в конечном итоге, обеспечивает зависимое от яровизации (задержанное) цветение.

Закладка эпигенетического состояния

Полученные данные показывают, что транскрипт FLC антагонистически регулируется ко-транскрипционно (по мере транскрипции мРНК) на ранней стадии развития эмбриона.

  • FCA действует, устанавливая специфическое состояние хроматина на ранних эмбриональных стадиях, что позже индуцирует привычку быстрого цикла цветения без яровизации.
  • FRI предотвращает это репрессированное состояние хроматина на ранней стадии сердца, поддерживая высокий уровень транскрипции FLC. Это состояние сохраняется на более поздних стадиях развития и приводит к поведению, требующему перезимовки.

«Наши результаты демонстрируют, что противоположные функции ко-транскрипционных регуляторов на очень специфической стадии развития устанавливают количественное состояние экспрессии FLC», — говорит руководитель группы GMI Майкл Нодайн. Это понимание важно для исследований регуляции экспрессии генов, опосредованной РНК и эпигенетически, а также механизмов, контролирующих фазовые переходы в развитии.