doi: 10.15389/agrobiology.2021.5.823rus
УДК 631.522/.524:575:577.21
Работа выполнена при поддержке РНФ (грант № 21-16-0008), РФФИ (грант № 18-29-07007) и Министерства науки и высшего образования РФ.
ФАКТОРЫ ТРАНСКРИПЦИИ СЕМЕЙСТВА MADS РАСТЕНИЙ: СВЯЗЬ С ПРИЗНАКАМИ ДОМЕСТИКАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ДЛЯ СЕЛЕКЦИИ (обзор)
А.В. НЕЖДАНОВА, А.В. ЩЕННИКОВА✉
Признаки доместикации, которые подразделяются на три группы (продуктивность, адаптивность и воспроизводство) и составляют в совокупности доместикацонный синдром, сближающий таксономически удаленные одомашненные формы, остаются хозяйственно значимыми и у современных возделываемых культур. Значительная часть генов, контролирующих у растений признаки доместикации, представлена генами факторов регуляции транскрипции, в частности принадлежащих семейству белков с MADS-доменом. MADS-белки служат ключевыми регуляторами практически всех аспектов репродуктивного развития растений, включая определение сроков цветения, строения соцветий, идентичности цветковых органов, развития корней, плодов и семян, а также адаптивной и стрессовой реакции растений на неблагоприятные условия окружающей среды. В представленном обзоре показано возможное участие MADS-box генов в процессах, происходивших при одомашнивании растений. Обсуждается роль MADS-box генов в реакции растений на длительное воздействие холодом (яровизацию), в регуляции состояния физиологического покоя почек, в формировании структуры соцветия и цветка, изменения фертильности растения и качественных признаков плода (процесс созревания, синтез каротиноидов и антоцианов, число семян, способность к растрескиванию, сроки хранения), а также в ответе растений на стрессы (засоление, засуха, изменение температуры). Рассмотрено явление плейотропии и избыточности функций MADS-box генов (за счет существования паралогов). Высказываетcя предположение, что высокий структурно-функциональный консерватизм может свидетельствовать о высоком потенциале MADS-box генов как инструментов для предсказуемой тонкой настройки фенотипов сельскохозяйственных культур посредством комбинирования (в том числе, дозозависимого) различных аллелей и паралогов MADS-box генов. Еще один возможный способ такой настройки — разделение плейотропных функций MADS-box гена посредством введения мутаций в его кодирующую или цис-регуляторную последовательность для изменения взаимодействий белок-белок или белок-ДНК, а также профиля и(или) уровня экспрессии, в том числе в ответ на различные внешние и внутренние сигналы. Сделано заключение о том, что фундаментальные и прикладные исследования MADS-box генов у различных видов растений (как дикорастущих, так и культурных) не только приведут к более глубокому пониманию эволюции и развития современных растений, но также внесут большой вклад в улучшение сельскохозяйственных культур, в том числе с помощью CRISPR/Cas и других современных технологий.
Ключевые слова: регуляция транскрипции, факторы транскрипции, MADS-box гены, консерватизм, плейотропный эффект, признаки одомашнивания, продуктивность, адаптация, воспроизводство, хозяйственно ценные признаки, целевые гены.
A.V. Nezhdanova, A.V. Shchennikova✉
The traits of domestication, which are subdivided into three groups (productivity, adaptability, and reproduction) and together make up a domesticated syndrome that brings together taxonomically distant domesticated forms, remain economically significant in modern cultivated crops as well. A significant part of the genes that control domestication traits in plants are represented by the genes of transcription factors, in particular, those belonging to the MADS-domain family. MADS-domain proteins are key regulators of almost all aspects of plant reproductive development, including the determination of the flowering time, the inflorescence structure, the flower organ identity, the development of roots, fruits, and seeds, as well as the adaptive and stress response to adverse environmental conditions. The presented review describes the possible involvement of MADS-box genes in plant domestication and breeding. We discuss the role of MADS-box genes in the regulation of vernalization (plant response to prolonged cold treatment), bud physiological dormancy, inflorescence and flower structure, plant fertility and fruit qualitative traits (ripening characteristics, synthesis of carotenoids and anthocyanins, the number of seeds, fruit shuttering, fruit shelf life), as well as plant stress response (salinity, drought, temperature changes). The phenomenon of MADS-box gene functional pleiotropy and redundancy (due to the existence of paralogs) is considered. It has been supposed that MADS-box genes high structural and functional conservatism may indicate their high potential as tools for predictable fine tuning of crop phenotypes by combining (including dose-dependent) different alleles and paralogs of MADS-box genes. Another possible method is the separation of the pleiotropic functions of the MADS-box gene by introducing mutations in its coding or cis-regulatory sequence to alter specific protein-protein or protein-DNA interactions, as well as the pattern and/or level of expression, including in response to various external and internal signals. It is concluded that fundamental and applied studies of MADS-box genes in various plant species (both wild and cultivated) will not only lead to a deeper understanding of the evolution and development of modern plants, but will also greatly contribute to the improvement of crops, including using CRISPR/Cas and other modern technologies.
Keywords: transcription regulation, transcription factors, MADS-box genes, conservatism, pleiotropy, domestication traits, productivity, adaptation, reproduction, economically valuable traits, target genes.
Институт биоинженерии, |
Поступила в редакцию |
