Генетика развития растений

Генетика развития растений (биология развития растений) — частная отрасль генетики, изучающая особенности развития растений, гены, экспрессирующиеся и обеспечивающие нормальное формирование и функционирование тканей и органов растений.

Генетика развития растений является одним из наиболее бурно развивающихся направлений современной генетики, которое имеет огромное фундаментальное и прикладное значение. В настоящее время в ряде отечественных вузов биологического и сельскохозяйственного профиля осуществляется подготовка специалистов для работы в различных областях биологии и генетики развития растений.

Становление науки

Современное состояние биологии характеризуется бурным переходом от описательного отражения действительности к расшифровке конкретных закономерностей, лежащих в основе живой природы. При этом традиционные биологические вопросы типа «как выглядит объект?» и «что с ним происходит?» сменились на совершенно новые — «почему он выглядит именно так?» и «как он функционирует?».

Безусловно, попытки ответить на эти вопросы неоднократно предпринимались и раньше. Однако по-настоящему возможным это стало лишь с пониманием того, что каждое проявление жизни, каким бы сложным оно не казалось, является в конечном итоге результатом функционирования определенных молекул при всем многообразии их взаимодействий. Современная наука располагает всего лишь двумя прямыми подходами, позволяющими исследовать биологические функции молекул. Первый подход заключается в анализе последствий, вызванных инактивацией определенных молекул организма (этого можно достичь, либо используя узко специфичные ингибиторы, либо получая мутации, нарушающие нормальный биосинтез именно данных молекул). Напротив, альтернативный подход предполагает увеличение активности исследуемых молекул либо при их добавлении извне, либо за счет усиления их биосинтеза in vivo (например, в случае трансформации организма дополнительными копиями соответствующего гена). При этом независимо от выбранного подхода, основную роль в таких исследованиях играют методы молекулярной биологии и генетики. Именно по этой причине синтез молекулярно-биологического и -генетического подходов, получивший название молекулярная генетика, стал ведущей идеологией большинства направлений современной биологии. Одним из таких направлений является биология развития. Если в своем первоначальном виде эта наука сформировалась на стыке эмбриологии, физиологии и цитологии, то именно использование молекулярно-генетических подходов позволяет успешно расчленять сложнейшие процессы развития на множество «элементарных» стадий, каждая из которых обслуживается строго определенными молекулами и контролируется особой группой генов.

В то же время, учитывая значительное своеобразие высших растений, правомочно поставить следующий вопрос: существуют ли некие особенности клеточной дифференцировки или морфогенеза, характерные только для данной группы эукариот? В этом плане молекулярная генетика развития растении несомненно представляет не только фундаментальный, но и огромный практический интерес.

История

За свою более чем 200-летнюю историю биология развития высших растений прошла через несколько этапов, отражающих постепенную эволюцию взглядов на существо изучаемой проблемы.

• На первом из этих этапов практически все внимание уделялось лишь общему описанию развития высших растений применительно к конкретным видам или более крупным таксономическим единицам.
• С началом второго этапа, основные интересы исследователей были переключены на анализ разнообразных внешних факторов (таких как освещенность, температура, химический состав окружающей среды и т. п.), оказывающих существенное влияние на развитие растений.
• Центральным событием третьего этапа стало обнаружение эндогенных соединений, осуществляющих регуляцию развития организма (в случае растений подобные вещества были названы фитогормонами). На этом этапе неоднократно предпринимались попытки объяснить все закономерности развития растений именно за счет особенностей функционирования фитогормональных систем.
• Начало четвертого этапа было ознаменовано выявлением отдельных мутаций, не затрагивающих фитогормональную систему, но заметно влияющих на процессы развития растения. Эти данные убедительно свидетельствовали о том, что по меньшей мере некоторые процессы развития контролируются у высших растений не только фитогормональной системой, но и определенными генами. Впрочем, никаких представлений о конкретной роли подобных генов еще сформулировано не было.
• Современный (пятый) этап оперирует уже не отдельными генами, а так называемыми генетическими программами развития. Каждая такая программа представляет собой определенную последовательность из многочисленных «элементарных» событий, лежащих в основе морфогенеза или же клеточной дифференцировки. При этом любое из рассматриваемых событий (другими словами — любой молекулярный процесс в составе отдельной программы развития) является закономерным результатом предыдущего и служит непосредственной причиной последующего. Таким образом, каждую подобную программу можно рассматривать в качестве конкретной причинной основы закономерного развития организма.

Направления

Генетика развития растений проводит свои исследования в следующих направления:

1. Генетический контроль онтогенеза
2. Генетический контроль сигнальных путей
3. Генетические механизмы регуляции экспрессии генов
4. Генетические механизмы, контролирующие взаимодействия клеток и тканей

Методы

1. Методы классической генетики:
   • Клональный анализ (использование генетических химер)
   • Мутационный анализ
   • Генетический анализ
2. Методы физиологической и биохимической генетики
   • Биометрический анализ
   • Молекулярно-генетический и системный подходы
   • Изучение биосинтеза белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот
3. Методы молекулярной генетики
   • Клонирование и молекулярный анализ генов
   • Изучение экспрессии генов
4. Методы генетической трансформации
   • Функциональный анализ клонированных генов
   • Анализ клонов

Основные понятия

Онтогенез (индивидуальное развитие, от др.-греч. ὤν, gen. ὄντος ʻсущийʼ и γένεσις ʻзарождениеʼ) растения — это естественный процесс с последовательной сменой нескольких возрастных этапов, среди которых принято выделять:

1. Эмбриональный — от зиготы до созревания семени (включительно).
2. Ювенильный — от прорастания семени до начала формирования репродуктивных органов.
3. Зрелость и размножение —закладка и развитие репродуктивных органов, образование семян и плодов.
4. Старость и отмирание

В онтогенезе реализуются потенции генотипа в определенных условиях среды, в результате чего формируются растения определенного фенотипа.

Онтогенез растения включает в себя два существенных аспекта: собственно жизнь особи (она начинается со стадии зиготы и продолжается вплоть до естественной смерти) и воспроизведение новых особей (также начинается с зиготы, но заканчивается формированием гамет).

В процессе эволюции у высших растений произошло пространственное совмещение гапло- и диплофаз в одном организме: гаметофит развивается прямо на спорофите. Этот момент очень важен, поскольку спорофит имеет собственную эффективную систему защиты, за счет чего защищенным становится и гаметофит.

Рост — понятие, характеризующее необратимые количественные изменения, происходящие во время развития организма.

Дифференцировка — качественные изменения, происходящие в процессе развитии организма наряду с количественными.

Морфогенез — это процесс формообразования, то есть закладки, роста и развития органов растения. Таким образом, дифференцировка, рост и морфогенез являются тесно взаимосвязанными процессами.

Детерминация — процесс, когда дифференцировка приводит к необратимому изменению клеток. Этот процесс называют

Модельные растения

Генетика развития в своих исследованиях использует модельные растения. Такие растения должны иметь короткий цикл развития, иметь небольшое количество хромосом и обладать высокой плодовитостью.

• Резуховидка Таля Arabidopsis — гены онтогенеза, гены развития корней, побегов, листьев и цветков
• Львиный Зев Antirrhinum majus — гены развития цветка и соцветий, побегов и листьев

Результаты, полученные при изучении модельных растений, можно экстраполировать на растения, которые трудно изучить.

Литература

1. Биология развития (в трех томах). М.: Мир. 1994.
2. Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции. М. Высшая школа. 1989. 592 с.
3. Л. А. Лутова, Н. А. Проворов, О. Н. Тиходеев, И. А. Тихонович, Л. Т. Ходжайова, С. О. Шишкова Генетика развития растений/ Под ред. чл.-кор. РАН С. Г. Инге-Вечтомова. Санкт-Петербург, Наука. 2000. 6-13 с.
4. Льюнн Б. Гены. М.: Мир, 1987.
5. Молекулярная биология клетки (в трех томах). М — Мир. 1994. Т. 1. 516 с; Т. 2. 540 с; Т. 3. 504 с.
6. Полевой В. В. Физиология растений. М : Высшая школа. 1989. 464 с.
7. Уоринг Ф., Фнллнпс И. Рост растений и дифференцировка. М.: Мир. 1984. 512 с.лол ты лол

Отрывок, характеризующий Генетика развития растений

Человек десять разных людей, имеющих дело до Пьера, ждали его в гостиной. Пьер поспешно оделся, и, вместо того чтобы идти к тем, которые ожидали его, он пошел на заднее крыльцо и оттуда вышел в ворота.
С тех пор и до конца московского разорения никто из домашних Безуховых, несмотря на все поиски, не видал больше Пьера и не знал, где он находился.


Ростовы до 1 го сентября, то есть до кануна вступления неприятеля в Москву, оставались в городе.
После поступления Пети в полк казаков Оболенского и отъезда его в Белую Церковь, где формировался этот полк, на графиню нашел страх. Мысль о том, что оба ее сына находятся на войне, что оба они ушли из под ее крыла, что нынче или завтра каждый из них, а может быть, и оба вместе, как три сына одной ее знакомой, могут быть убиты, в первый раз теперь, в это лето, с жестокой ясностью пришла ей в голову. Она пыталась вытребовать к себе Николая, хотела сама ехать к Пете, определить его куда нибудь в Петербурге, но и то и другое оказывалось невозможным. Петя не мог быть возвращен иначе, как вместе с полком или посредством перевода в другой действующий полк. Николай находился где то в армии и после своего последнего письма, в котором подробно описывал свою встречу с княжной Марьей, не давал о себе слуха. Графиня не спала ночей и, когда засыпала, видела во сне убитых сыновей. После многих советов и переговоров граф придумал наконец средство для успокоения графини. Он перевел Петю из полка Оболенского в полк Безухова, который формировался под Москвою. Хотя Петя и оставался в военной службе, но при этом переводе графиня имела утешенье видеть хотя одного сына у себя под крылышком и надеялась устроить своего Петю так, чтобы больше не выпускать его и записывать всегда в такие места службы, где бы он никак не мог попасть в сражение. Пока один Nicolas был в опасности, графине казалось (и она даже каялась в этом), что она любит старшего больше всех остальных детей; но когда меньшой, шалун, дурно учившийся, все ломавший в доме и всем надоевший Петя, этот курносый Петя, с своими веселыми черными глазами, свежим румянцем и чуть пробивающимся пушком на щеках, попал туда, к этим большим, страшным, жестоким мужчинам, которые там что то сражаются и что то в этом находят радостного, – тогда матери показалось, что его то она любила больше, гораздо больше всех своих детей. Чем ближе подходило то время, когда должен был вернуться в Москву ожидаемый Петя, тем более увеличивалось беспокойство графини. Она думала уже, что никогда не дождется этого счастия. Присутствие не только Сони, но и любимой Наташи, даже мужа, раздражало графиню. «Что мне за дело до них, мне никого не нужно, кроме Пети!» – думала она.
В последних числах августа Ростовы получили второе письмо от Николая. Он писал из Воронежской губернии, куда он был послан за лошадьми. Письмо это не успокоило графиню. Зная одного сына вне опасности, она еще сильнее стала тревожиться за Петю.
Несмотря на то, что уже с 20 го числа августа почти все знакомые Ростовых повыехали из Москвы, несмотря на то, что все уговаривали графиню уезжать как можно скорее, она ничего не хотела слышать об отъезде до тех пор, пока не вернется ее сокровище, обожаемый Петя. 28 августа приехал Петя. Болезненно страстная нежность, с которою мать встретила его, не понравилась шестнадцатилетнему офицеру. Несмотря на то, что мать скрыла от него свое намеренье не выпускать его теперь из под своего крылышка, Петя понял ее замыслы и, инстинктивно боясь того, чтобы с матерью не разнежничаться, не обабиться (так он думал сам с собой), он холодно обошелся с ней, избегал ее и во время своего пребывания в Москве исключительно держался общества Наташи, к которой он всегда имел особенную, почти влюбленную братскую нежность.
По обычной беспечности графа, 28 августа ничто еще не было готово для отъезда, и ожидаемые из рязанской и московской деревень подводы для подъема из дома всего имущества пришли только 30 го.
С 28 по 31 августа вся Москва была в хлопотах и движении. Каждый день в Дорогомиловскую заставу ввозили и развозили по Москве тысячи раненых в Бородинском сражении, и тысячи подвод, с жителями и имуществом, выезжали в другие заставы. Несмотря на афишки Растопчина, или независимо от них, или вследствие их, самые противоречащие и странные новости передавались по городу. Кто говорил о том, что не велено никому выезжать; кто, напротив, рассказывал, что подняли все иконы из церквей и что всех высылают насильно; кто говорил, что было еще сраженье после Бородинского, в котором разбиты французы; кто говорил, напротив, что все русское войско уничтожено; кто говорил о московском ополчении, которое пойдет с духовенством впереди на Три Горы; кто потихоньку рассказывал, что Августину не ведено выезжать, что пойманы изменники, что мужики бунтуют и грабят тех, кто выезжает, и т. п., и т. п. Но это только говорили, а в сущности, и те, которые ехали, и те, которые оставались (несмотря на то, что еще не было совета в Филях, на котором решено было оставить Москву), – все чувствовали, хотя и не выказывали этого, что Москва непременно сдана будет и что надо как можно скорее убираться самим и спасать свое имущество. Чувствовалось, что все вдруг должно разорваться и измениться, но до 1 го числа ничто еще не изменялось. Как преступник, которого ведут на казнь, знает, что вот вот он должен погибнуть, но все еще приглядывается вокруг себя и поправляет дурно надетую шапку, так и Москва невольно продолжала свою обычную жизнь, хотя знала, что близко то время погибели, когда разорвутся все те условные отношения жизни, которым привыкли покоряться.
В продолжение этих трех дней, предшествовавших пленению Москвы, все семейство Ростовых находилось в различных житейских хлопотах. Глава семейства, граф Илья Андреич, беспрестанно ездил по городу, собирая со всех сторон ходившие слухи, и дома делал общие поверхностные и торопливые распоряжения о приготовлениях к отъезду.
Графиня следила за уборкой вещей, всем была недовольна и ходила за беспрестанно убегавшим от нее Петей, ревнуя его к Наташе, с которой он проводил все время. Соня одна распоряжалась практической стороной дела: укладываньем вещей. Но Соня была особенно грустна и молчалива все это последнее время. Письмо Nicolas, в котором он упоминал о княжне Марье, вызвало в ее присутствии радостные рассуждения графини о том, как во встрече княжны Марьи с Nicolas она видела промысл божий.
– Я никогда не радовалась тогда, – сказала графиня, – когда Болконский был женихом Наташи, а я всегда желала, и у меня есть предчувствие, что Николинька женится на княжне. И как бы это хорошо было!
Соня чувствовала, что это была правда, что единственная возможность поправления дел Ростовых была женитьба на богатой и что княжна была хорошая партия. Но ей было это очень горько. Несмотря на свое горе или, может быть, именно вследствие своего горя, она на себя взяла все трудные заботы распоряжений об уборке и укладке вещей и целые дни была занята. Граф и графиня обращались к ней, когда им что нибудь нужно было приказывать. Петя и Наташа, напротив, не только не помогали родителям, но большею частью всем в доме надоедали и мешали. И целый день почти слышны были в доме их беготня, крики и беспричинный хохот. Они смеялись и радовались вовсе не оттого, что была причина их смеху; но им на душе было радостно и весело, и потому все, что ни случалось, было для них причиной радости и смеха. Пете было весело оттого, что, уехав из дома мальчиком, он вернулся (как ему говорили все) молодцом мужчиной; весело было оттого, что он дома, оттого, что он из Белой Церкви, где не скоро была надежда попасть в сраженье, попал в Москву, где на днях будут драться; и главное, весело оттого, что Наташа, настроению духа которой он всегда покорялся, была весела. Наташа же была весела потому, что она слишком долго была грустна, и теперь ничто не напоминало ей причину ее грусти, и она была здорова. Еще она была весела потому, что был человек, который ею восхищался (восхищение других была та мазь колес, которая была необходима для того, чтоб ее машина совершенно свободно двигалась), и Петя восхищался ею. Главное же, веселы они были потому, что война была под Москвой, что будут сражаться у заставы, что раздают оружие, что все бегут, уезжают куда то, что вообще происходит что то необычайное, что всегда радостно для человека, в особенности для молодого.