Preview

Вавиловский журнал генетики и селекции

Расширенный поиск

Соцветие злаков: особенности строения, развития и генетической регуляции морфогенеза

https://doi.org/10.18699/VJ18.420

Полный текст:

Аннотация

Злаки (Poaceae Barnh.) - самое крупное семейство покрытосеменных растений, произрастающих на всех континентах земного шара и составляющих значительную часть многих биоценозов. К этому семейству принадлежат такие важные сельскохозяйственные культуры, как рис, кукуруза, пшеница, ячмень, рожь, сахарный тростник. Качественные и количественные характеристики соцветий злаков непосредственно связаны с продуктивностью и определяются особенностями развития. В обзоре рассмотрены современные представления о строении и развитии соцветий злаков, а также результаты исследований генетических механизмов, регулирующих их формирование. Соцветия всех злаковых характеризуются общей чертой: цветки развиваются в составе определенной структуры - колоска, строение и общие черты развития которого сходны у всех злаков. У большинства представителей злаковых соцветие имеет сложное строение. Длина и особенности строения главной оси соцветия, наличие и степень ветвления, расположение и развитие боковых веточек обуславливают большое разнообразие в строении соцветий. Сложные соцветия злаков формируются из меристем нескольких типов. Переход от функционирования одной меристемы к другой - многоступенчатый процесс, в регуляцию которого вовлечено множество генов. Гены, управляющие развитием соцветия злаков, были идентифицированы благодаря использованию мутантов (в основном кукурузы и риса), у которых нарушена морфология соцветия и цветка; большая часть этих генов контролирует инициацию и судьбу меристем. Наличие некоторых генетических механизмов, регулирующих развитие соцветия злаков, подтверждают модели, ранее открытые у двудольных растений. Вместе с тем показано, что существуют процессы развития, специфичные только для соцветий злаков, и появляются новые модули в их генетической регуляции, в частности связанные с формированием разветвленного соцветия. Кроме того, важный аспект генетической регуляции - наличие «слабых» аллелей, не вызывающих тератологических нарушений в строении соцветия, но вносящих вклад в изменчивость количественных признаков под контролем генов развития, например генов сигнального пути CLAVATA злаков. Наличие таких «слабых» аллелей, связанных с продуктивностью, является основанием для их дальнейшего использования в селекционных программах.

Об авторах

О. Б. Добровольская
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики, Сибирское отделение Российской академии наук; Всероссийский центр карантина растений
Россия

Новосибирск; Московская область, Раменский район, п. Быково



А. Е. Дресвянникова
Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики, Сибирское отделение Российской академии наук; Новосибирский национальный исследовательский государственный университет
Россия


Список литературы

1. Батыгина Т.Б. Биология развития растений. Симфония жизни. СПб., 2014.

2. Лутова Л.А., Ежова Т.А., Додуева И.Е., Осипова М.А. Генетика развития растений. СПб.: Изд-во Н-Л, 2010.

3. Цвелев Н.Н. Злаки СССР Л.: Наука, 1976.

4. Bartlett M.E., Thompson B. Meristem identity and phyllotaxis in inflorescence development. Front. Plant Sci. 2014;5:508. DOI 10.3389/fpls.2014.00508.

5. Bommert P., Lunde C., Nardmann J., Vollbrecht E., Running M., Jackson D., Hake S., Werr W. thick tassel dwarfl encodes a putative maize ortholog of the Arabidopsis CLAVATA1 leucine-rich repeat receptor-like kinase. Development. 2005a;132:1235-1245. DOI 10.1242/dev.01671.

6. Bommert P., Nagasawa N.S., Jackson D. Quantitative variation in maize kernel row number is controlled by the fasciated ear2 locus. Nat. Genet. 2005b;45:334-337. DOI 10.1038/ng.2534.

7. Bommert P., Nagasawa N.S., Jackson D. Quantitative variation in maize kernel row number is controlled by the FASCIATED EAR2 locus. Nat. Genet. 2013;45:334-337.

8. Bommert P., Satoh-Nagasawa N., Jackson D., Hirano H.Y. Genetics and evolution of inflorescence and flower development in grasses. Plant Cell Physiol. 2005c;46:69-78. DOI 10.1093/pcp/pci504.

9. Bommert P., Whipple C. Grass inflorescence architecture and meristem determinacy. Semin. Cell Dev. Biol. 2017. DOI 10.1016/j.semcdb.2017.10.004.

10. Bonnet O.T. The development of the wheat spike. J. Agr. Res. 1936; 53:445-451.

11. Bortiri E., Chuck G., Vollbrecht E., Rocheford T., Martienssen R., Hake S. ramosa2 encodes a LATERAL ORGAN BOUNDARY domain protein that determines the fate of stem cells in branch meristems of maize. Plant Cell. 2006;18:574-585. DOI 10.1105/tpc.105.039032.

12. Brown R.H., Bregitzer P. A Ds insertional mutant of a barley miR172 gene results in indeterminate spikelet development. Crop Sci. 2011; 51:1664-1672.

13. Chu H., Qian Q., Liang W., Yin C., Tan H., Yao X., Yuan Z., Yang J., Huang H., Luo D., Ma H., Zhang D. The FLORAL ORGANNUM-BER4 gene encoding a putative ortholog of Arabidopsis CLAVATA3 regulates apical meristem size in rice. Plant Physiol. 2006;142: 1039-1052. DOI 10.1104/pp.106.08673.

14. Chuck G., Meeley R.B., Hake S. The control of maize spikelet meristem fate by the APETALA2-like gene indeterminate spikelet1. Genes Dev. 1998;12:1145-1154.

15. Chuck G., Meeley R., Hake S. Floral meristem initiation and meristem cell fate are regulated by the maize AP2 genes ids1 and sid1. Development. 2008;135:3013-3019. DOI 10.1242/dev.024273.

16. Chuck G., Meeley R., Irish E., Sakai H., Hake S. The maize tassel-seed4 microRNA controls sex determination and meristem cell fate by targeting Tasselseed6/indeterminate spikelet1. Nat. Genet. 2007; 39:1517-1521.

17. Chuck G., Muszynski M., Kellogg E., Hake S., Schmidt R.J. The control of spikelet meristem identity by the branched silkless1 gene in maize. Science. 2002;298:1238-1241. DOI 10.1126/science.1076920.

18. Clark L.G., Judziewicz E.J. The grass subfamilies Anomochlooideae and Pharoideae (Poaceae). Taxon. 1996;45:641-645. DOI 10.2307/1224248.

19. Debernardi H., Lin G., Chuck J., Faris D., Dubcovsky J. MicroRNA172 plays a crucial role in wheat spike morphogenesis and grain threshability. Development. 2017;144:1966-1975. DOI 10.1242/dev.146399.

20. Derbyshire P., Byrne M.E. MORE SPIKELETS1 is required for spikelet fate in the inflorescence of Brachypodium Derbyshire. Plant Physiol. 2013;161:1291-1302. DOI 10.1104/pp.112.212340.

21. Dobrovolskaya O.B., Amagai Y., Popova K.I., Dresvyannikova A.E., Martinek P., Krasnikov A.A., Watanabe N. Genes WHEAT FRIZZY PANICLE and SHAM RAMIFICATION 2 independently regulate differentiation of floral meristems in wheat. BMC Plant Biol. 2017; 17(Suppl. 2):252. DOI 10.1186/s12870-017-1191-3.

22. Dobrovolskaya O., Pont C., Sibout R., Martinek P., Badaeva E., Murat F., Chosson A., Watanabe N., Prat E., Gautier N., Gautier V, Pon-cet C., Orlov Y.L., Krasnikov A.A., Berges H., Salina E., Laikova L., Salse J. FRIZZY PANICLE drives supernumerary spikelets in bread wheat. Plant Physiol. 2015;167:189-199. DOI 10.1104/pp.114.250043.

23. Gallavotti A., Zhao Q., Kyozuka J., Meeley R.B., Ritter M.K., Doeb-ley J.F., Pe M.E., Schmidt R.J. The role of barren stalk1 in the architecture of maize. Nature. 2004;432:630-635. DOI 10.1038/nature03148.

24. Gao X., Liang W., Yin C., Ji S., Wang H., Su X., Guo C., Kong H., Xue H., Zhang D. The SEPALLATA-like gene OsMADS34 is required for rice inflorescence and spikelet development. Plant Physiol. 2010;153:728-740. DOI 10.1104/pp.110.156711.

25. Ikeda K., Ito M., Nagasawa N., Kyozuka J., Nagato Y. Rice ABERRANT PANICLE ORGANIZATION 1, encoding an F-box protein, regulates meristem fate. Plant J. 2007;51:1030-1040. DOI 10.1111/j.1365-313X.2007.03200.x.

26. Ikeda K., Nagasawa N., Nagato Y. ABERRANT PANICLE ORGANIZATION 1 temporally regulates meristem identity in rice. Dev. Biol. 2005;282:349-360. DOI 10.1016/j.ydbio.2005.03.016.

27. Ikeda-Kawakatsu K., Maekawa M., Izawa T., Itoh J., Nagato Y. Aberrant PANICLE ORGANIZATION 2/RFL, the rice ortholog of Ara-bidopsis LEAFY, suppresses the transition from inflorescence meristem to floral meristem through interaction with APO1. Plant J. 2012;69:168-180. DOI 10.1111/j.1365-313X.2011.04781.

28. Je B.I., Gruel J., Lee Y.K., Bommert P., Arevalo E.D., Eveland A.L., Wu Q., Goldshmidt A., Meeley R., Bartlett M., Komatsu M., Sakai H., Jonsson H., Jackson D. Signaling from maize organ pri-mordia via FASCIATED EAR3 regulates stem cell proliferation and yield traits. Nat. Genet. 2016;48:785-791. DOI 10.1038/ng.3567.

29. Jiang L., Qian Q., Mao L., Zhou Q.Y., Zhai W.X. Characterization of the rice floral organ number mutantfon3. J. Integ. Plant Biol. 2005; 47:100-106.

30. Kellogg E.A., Camara P.E., Rudall P.J., Ladd P., Malcomber S.T., Whipple C.J., Doust N.A. Early inflorescence development in the grasses (Poaceae). Front. Plant Sci. 2013;4:250. DOI 10.3389/fpls.2013.00250.

31. Kim C., Jeong D.H., An G. Molecular cloning and characterization of OsLRKl encoding a putative receptor-like protein kinase from Oryza sativa. Plant Sci. 2000;152:17-26.

32. Kobayashi K., Yasuno N., Sato Y., Yoda M., Yamazaki R., Kimizu M., Yoshida H., Nagamura Y., Kyozuka J. Inflorescence meristem identity in rice isspecified by overlapping functions of three AP1/FUL-like MADS box genes and PAP2, a SEPALLATA MADS box gene. Plant Cell. 2012;24:1848-1859. DOI 10.1105/tpc.112.097105.

33. Komatsu M., Chujo A., Nagato Y., Shimamoto K., Kyozuka J. FRIZZY PANICLE is required to prevent the formation of axillary meristems and to establish floral meristem identity in rice spikelets. Development. 2003a;130:3841-3850. DOI 10.1242/dev.00564.

34. Komatsu M., Maekawa M., Shimamoto K., Kyozuka J. The LAX1 and FRIZZY PANICLE 2 genes determine the inflorescence architecture of rice by controlling rachis-branch and spikelet development. Dev. Biol. 2001;231:364-373. DOI 10.1006/dbio.2000.9988.

35. Komatsu K., Maekawa M., Ujiie S., Satake Y., Furutani I., Okamoto H., Shimamoto K., Kyozuka J. LAX and SPA: major regulators of shoot branching in rice. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2003b;100:11765-11770. DOI 10.1073/pnas.1932414100.

36. Koppolu R., Anwar N., Sakuma S., Tagiri A., Lundqvist U., Pourkhei-randish M., Rutten T., Seiler C., Himmelbach A., Ariyadasa R., Youssef H.M., Stein N., Sreenivasulu N., Komatsuda T., Schnur-busch T. Six-rowedspike4 (Vrs4) controls spikelet determinacy and row-type in barley. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013;110:13198-13203. DOI 10.1073/pnas.1221950110.

37. Laudencia-Chingcuanco D., Hake S. The indeterminate floral apexl gene regulates meristem determinacy and identity in the maize inflorescence. Development. 2002;129:2629-2638.

38. Lee D.Y., An G. Two AP2 family genes, SUPERNUMERARY BRACT (SNB) and OSINDETERMINATE SPIKELET 1 (OsIDSl), synergis-tically control inflorescence architecture and floral meristem establishment in rice. Plant J. 2012;69:445-461.

39. Lee D.Y., Lee J., Moon S., Park S.Y., An G. The rice heterochronic gene SUPERNUMERARY BRACT regulates the transition from spikelet meristem to floral meristem. Plant J. 2007;49:64-78. DOI 10.1111/j.1365-313X.2006.02941.x.

40. Li X., Qian Q., Fu Z., Wang Y., Xiong G., Zeng D., Wang X., Liu X., Teng S., Hiroshi F., Yuan M., Luo D., Han B., Li J.Y. Control of tillering in rice. Nature. 2003;422:618-621. DOI 10.1038/nature01518.

41. Malcomber S.T., Preston J.C., Reinheimer R., Kossuth J., Kellogg E.A. Developmental gene evolution and the origin of grass inflorescence diversity. Adv. Bot. Res. 2006;44:423-479. DOI 10.1016/S0065-2296(06)44011-8.

42. Mayer K.F.X., Schoof H., Haecker A., Lenhard M., Jurgens G., Lux T. Role of WUSCHEL in regulating stem cell fate in the Arabidopsis shoot meristem. Cell. 1998;95:805-815. DOI 10.1016/S0092-8674(00)81703-1.

43. McSteen P., Hake S. barren inflorescence2 regulates axillary meristem development in the maize inflorescence. Development. 2001;128: 2881-2891.

44. McSteen P., Laudencia-Chingcuanco D., Colasanti J. A floret by any other name: control of meristem identity in maize. Trends Plant Sci. 2000;5:61-66. DOI 10.1016/S1360-1385(99)01541-1.

45. Muller R., Bleckmann A., Simon R. The receptor kinase CORYNE of Arabidopsis transmits the stem cell-limiting signal CLAVATA3 independently of CLAVATA1. Plant Cell. 2008;20:934-946. DOI 10.1105/tpc.107.057547.

46. Muramatsu M.A. Presumed genetic system determining the number of spikelets per rachis node in the tribe Triticeae. Breed. Sci. 2009;59:617-620. DOI 10.1270/jsbbs.5.

47. Nagasawa N., Miyoshi M., Kitano H., Satoh H., Nagato Y. Mutations associated with floral organ number in rice. Planta. 1996;198: 627-633.

48. Nardmann J., Werr W. The shoot stem cell niche in angiosperms: expression patterns of WUS orthologues in rice and maize imply major modifications in the course of mono- and dicot evolution. Mol. Biol. Evol. 2006;23:2492-2504. DOI 10.1093/molbev/msl125.

49. Oikawa T., Kyozuka J. Two-step regulation of LAX PANICLE1 protein accumulation in axillary meristem formation in rice. Plant Cell. 2009;21:1095-1108. DOI 10.1105%2Ftpc.108.065425.

50. Pourkheirandish M., Komatsuda T. The importance of barley genetics and domestication in a global perspective. Ann. Bot. 2007;100(5): 999-1008. DOI 10.1093/aob/mcm139.

51. Poursarebani N., Seidensticker T., Koppolu R., Trautewig C., Gawron-ski P., Bini F., Govind G., Rutten T., Sakuma S., Tagiri A., Wol-de G.M., Youssef H.M., Battal A., Ciannamea S., Fusca T., Nussbau-mer T., Pozzi C., Borner A., Lundqvist U., Komatsuda T., Salvi S., Tuberosa R., Uauy C., Sreenivasulu N., Rossini L., Schnurbusch T. The genetic basis of composite spike form in barley and ‘Miracle-Wheat’. Genetics. 2015;201:155-165. DOI 10.1534%2Fgenetics.115.176628.

52. Rao N.N., Prasad K., Kumar P.R., Vijayraghavan U. Distinct regulatory role for RFL, the rice LFY homolog, in determining flowering time and plant architecture. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2008;105:3646-3651. DOI 10.1073/pnas.0709059105.

53. Ritter M.K., Padilla C.M., Schmidt R.J. The maize mutant barren stalk1 is defective in axillary meristem development. Am. J. Bot. 2002;89:203-210. DOI 10.3732/ajb.89.2.203.

54. Sakuma S., Salomon B., Komatsuda T. The domestication syndrome genes responsible for the major changes in plant form in the triti-ceae crops. Plant Cell Physiol. 2011;52:738-749. DOI 10.1093/pcp/pcr025.

55. Satoh-Nagasawa N., Nagasawa N., Malcomber S., Sakai H., Jackson D. A trehalose metabolic enzyme controls inflorescence architecture in maize. Nature. 2006;441:227-230. DOI 10.1038/nature04725.

56. Shitsukawa N., Kinjo H., Takumi S., Murai К. Heterochronic development of the floret meristem determines grain number per spikelet in diploid, tetraploid and hexaploid wheats. Ann. Bot. 2009;104:243-251. DOI 10.1093/aob/mcp129.

57. Shitsukawa N., Takagishi A., Ikari C., Takumi S., Murai K. WFL, a wheat FLORICAULA/LEAFY ortholog, is associated with spikelet formation as lateral branch of the inflorescence meristem. Genes Genet. Syst. 2006;81:13-20. DOI 10.1266/ggs.81.13.

58. Simons K.J., Fellers J.P., Trick H.N., Zhang Z., Tai Y.S., Gill B.S., Faris J.D. Molecular characterization of the major wheat domestication gene Q. Genetics. 2006;172:547-555. DOI 10.1534/genetics.105.044727.

59. Somssich M., Je B., Simon R., Jackson D. CLAVATA-WUSCHEL signaling in the shoot meristem. Development. 2016;143:3238-3248. DOI 10.1242/dev.133645.

60. Sreenivasulu N., Schnurbusch T. A genetic playground for enhancing grain number in cereals. Trends Plant Sci. 2012;17:91-101. DOI 10.1016/j.tplants.2011.11.003.

61. Suzaki T., Ohneda M., Toriba T., Yoshida A., Hirano H.-Y. FON2 SPARE1 redundantly regulates floral meristem maintenance with FLORAL ORGANNUMBER2 in rice. PLoS Genet. 2009;5:e1000693. DOI 10.1371/journal.pgen.1000693.

62. Suzaki T., Sato M., Ashikari M., Miyoshi M., Nagato Y., Hirano H.Y. The gene FLORAL ORGAN NUMBER1 regulates floral meristem size in rice and encodes a leucine-rich repeat receptor kinase ortho-logous to Arabidopsis CLAVATA1. Development. 2004;131:5649-5657. DOI 10.1242/dev.01441.

63. Suzaki T., Yoshida A., Hirano H.Y Functional diversification of CLA-VATA3-related CLE proteins in meristem maintenance in rice. Plant Cell. 2008;20:2049-2058. DOI 10.1105/tpc.m7.057257.

64. Taguchi-Shiobara F., Yuan Z., Hake S., Jackson D. The fasciated ear2 gene encodes a leucine-rich repeat receptor-like protein that regulates shoot meristem proliferation in maize. Genes Dev. 2001;15:2755-2766. DOI 10.1101/gad.208501.

65. Tanaka W., Ohmori Y., Ushijima T., Matsusaka H., Matsushita T., Ku-mamaru T., Kawano S., Hirano H.Y. Axillary meristem formation in rice requires the WUSCHEL ortholog TILLERS ABSENT1. Plant Cell. 2015;27:1173-1184. DOI 10.1105/tpc.15.00074.

66. Thompson B.E., Hake S. Translational biology: from Arabidopsis flowers to grass inflorescence architecture. Plant Physiol. 2009;149: 38-45. DOI 10.1104/pp.108.129619.

67. Vollbrecht E., Springer P.S., Goh L., Buckler E.S. IV, Martienssen R. Architecture of floral branch systems in maize and related grasses. Nature. 2005;436:1П9-1126. DOI 10.1038/NATURE03892.

68. Yi G., Choi J.H., Jeong E.G., Chon N.S., Jena K.K., Ku Y.C., Kim D.H., Eun M.Y., Jeon J.S., Nam M.H. Morphological and molecular characterization of a new frizzy panicle mutant,“fzp-9(t)”, in rice (Oryza sativa L.). Hereditas. 2005;142:92-97. DOI 10.1111/j.1601-5223.2005.01915.x.

69. Yoshida A., Sasao M., Yasuno N., Takagi K., Daimon Y., Chen R., Yamazaki R., Tokunaga H., Kitaguchi Y., Sato Y., Nagamura Y., Ushijima T., Kumamaru T., Iida S., Maekawa M., Kyozuka J. TAWA-WA1, a regulator of rice inflorescence architecture, functions through the suppression of meristem phase transition. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013;110:767-772. DOI 10.1073/pnas.1216151110.

70. Zhang B., Liu X., Xu W., Chang J., Li A., Mao X., Zhang X., Jing R. Novel function of a putative MOC1 ortholog associated with spike-let number per spike in common wheat. Sci. Rep. 2015;12211. http://www.nature.com/articles/srep12211.pdf.

71. Zhu Q.H., Hoque M.S., Dennis E.S., Upadhyaya N.M. Ds tagging of BRANCHED FLORETLESS 1 (BFL1) that mediates the transition from spikelet to floret meristem in rice (Oryza sativa L.). BMC Plant Biol. 2003;3:6. DOI 10.1186/1471-2229-3-6.


Просмотров: 244


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2500-0462 (Print)
ISSN 2500-3259 (Online)