Генетическая регуляция развития листьев тополя: от роста до старения
Исследователи из группы полиплоидной селекции леса проанализировали динамическую регуляторную сеть развития листьев тополя (Populus spp.) — важной модели для физиолого-экологических исследований и вида, широко используемого в экологии, агролесоводстве и промышленности.
Работа "Пространственно-временная сеть miRNA и транскриптома динамически регулирует процессы развития и старения листьев тополя" опубликована в журнале Horticulture Research.
Пять стадий развития листа
С помощью высокопроизводительного секвенирования ученые выделили пять периодов в жизненном цикле листа тополя:
- Ювенильные листья (позиция 1): Клеточный генезис и функциональная дифференцировка. Высокая экспрессия генов, связанных с ростом и делением клеток.
- Развитие ювенильных листьев (позиции 3–7): Начальное формирование фотосинтетической способности. Экспрессия генов клеточного роста и деления снижается.
- Функциональные листья с пиком фотосинтеза (позиции 9–13): Постепенное увеличение экспрессии генов путей фотосинтеза и метаболизма хлорофилла.
- Функциональные листья со снижающейся способностью (позиции 15–27): Экспрессия фотосинтетических генов падает, экспрессия факторов старения растет, скорость фотосинтеза постепенно снижается.
- Стареющие листья (позиция 29): Наивысшая экспрессия генов факторов старения и путей убиквитинирования белков. Скорость фотосинтеза падает до минимального уровня.
Ключевые регуляторные сети
Исследование показало, что miRNAs и транскрипционные факторы, участвующие в регуляции роста и развития листьев, демонстрируют специфичные для периода паттерны экспрессии.
- Промоторы роста: GRF9, GRF12, KNAT7 и TCP4 способствуют росту и морфогенезу листьев. Их экспрессия и экспрессия регулируемых ими функциональных генов постепенно снижается по мере развития листа под влиянием miR396, miR159 и других факторов.
- Регуляторы старения: MYB5, SPL4, LRL3 и WRKY23 участвуют в регуляции старения клеток листа, деградации хлорофилла и других процессов. Их экспрессия и экспрессия регулируемых генов постепенно возрастает по мере развития листа под влиянием miR399, miR156 и других факторов, образуя регуляторную сеть с ядром из MYB5 и SPL.
Построение сети регуляции экспрессии генов подтвердило ключевую роль MYB5 в регуляции синтеза пигментов, что было дополнительно проверено на фенотипе линий с его сверхэкспрессией.
Значение для селекции
Результаты углубляют понимание процесса роста и развития листьев тополя и его регуляторных механизмов. Они открывают новое направление для молекулярного дизайна и селекции, нацеленной на замедление старения листьев, увеличение их максимальной фотосинтетической скорости и продление периода наивысшей фотосинтетической активности.