|
بخشی از ترجمه فارسی:
خلاصه
ژن های sistm2, sistm1 (ارتولوگ های مریستم های ساقه آرابیدوپسیس) و SICUC (یک ارتولوگ کوتیلدون 1 به شل cuc2, cup) از گونه های دو پایه silene latifolia پیشنهاد شده است که الگو موقوف سازی مادگی در نمو گل ها را کنترل می کند. در یک جهش یافته از silene latifolia (k.34) هیپ نری را تولید نمی کند اما فقط گل های بدون جنسیت و ماده های ناقص (شبه ماده) تولید می کند هر دو متعلق به یک فرد، مادگی به طور کامل در گل های بدون جنسیت متوقف شده است و در گل های شبه ماده به طور جزئی متوقف شده است. برای تشخیص اینکه این 2 فنوتیپ اپی ژنتیک در نمو مادگی توسط تغییرات در بیان sicuc , sistm ایجاد می شوند ما هیبریداسیون آزمایشگاهی با پراب های sicuc , sistm اجرا کرده ایم. ما دو الگوی متفاوت از بیان ژن در شکوفه های گل قبل از شروع تمایز فنوتیپی یافته ایم که مشابه بیان معکوس 2 ژن توصیف شده در گیاهان نر و ماده نوع وحشی است. در شکوفه های جوان گل k.34، 14 درصد از ساختارهای نمو یافته ماده را نشان می دهند و بقیه نر تعیین می شوند این نسبت با نسبت گل های شبه ماده به بدون جنسیت برابر است سرانجام توسط گیاهان k.34 تولید می شود. همان نسبت (7-16) تنها در جهش یافته های اصلی یافت نمی شود بلکه در نسل های اول و دوم بک کراس و در کلون های رویشی جهش یافته اصلی نیز یافت می شود. بنابراین الگوهای بیان sicuc , sistm معکوس در k.34 برابر الگوهای موقوف سازی مادگی در نوع وحشی هستند، پیشنهاد می کند که جهش یافته های مسئول برای 2 ژنوتیپ جهش یافته مخالف sicuc , sistm عمل می کند.
مقدمه
ژن های مریستم ساقه (STM) و کوتیلیدون به شکل CUP در نمونه نهاندانگان آرابیدوپسیس تالیانا در عملکرد مریستم ساقه و گل مرکزیت دارد. در آرابیدوپسیس ژن STM که یک فاکتور رونویسی قوی و knotted1 پروتئین همودایفر را کد می کند برای حفظ سلول های تمایز نیافته در مریستم ساقه و برای تصحیح تکثیر سلول ها در مریستم گل مورد نیاز است. ژن STM در مریستم رأسی ساقه، گل آذین و مریستم های گل بیان می شود همچنین در بافت های آوندی و در حدود بین حلقه ها بیان می شود.
رونوشت های STM در پریموردیوم های اولیه گل تنظیم می شوند.
ژن های CUC (CUC3,CUC2,CUC1) اعضای خانواده NAC (cuc, ATAF, NAM) از فاکتورهای رونویسی را کد می کنند. آن ها در انتشار و حفظ اندام های مرزی در رأس ساقه، گل آذین و مریستم های گل شرکت دارند بیان ژن cuc در یک یا دو ردیف از سلول هایی که با حدود هر اندام پریموردیوم برابرند، اتفاق می افتد. Breuil نشان داده است که cuc2 با یک فقدان تکثیر سلول خصوصا در حدود حلقه ها در ارتباط است لوپ های feedback منظم بین ژن های cuc, STM در مریستم های رأسی جنین آرابیدوپسیس وجود دارد. Zlurora sistm2, sistm1 (اتهولوگ های STM) و sicuc (ارتولوگ cuc2,cuc1) را در گیاه دو پایه سیلنه تشخیص داده است. آن ها هیبدریداسیون آزمایشگاهی با (sistm2,sistm1) sistm , sicuc روی گل های نر جو و گل های ماده انجام داده اند و تفاوت هایی بین گل های نر و ماده در الگو بیان ژن هایشان یافته اند. در گل های ماده در سطح 2 رونوشت های sistm در قمست مرکزی مریستم (ناحیه مادگی) بیان می شوند اما رونوشت های sicuc اینگونه نبودند. در گل های نر در همان سطح رونوشت های sistm در ناحیه مادگی غایب بودند در حالی که رونوشت های sicuc حاضر بودند. بنابراین به نظر می رسد که sicuc , sistm الگوی موقوف سازی مادگی را در سیلند در سطح اولیه هم در ماده و هم در نر کنترل می کند.
در سیلنه، گیاهان نر یک جفت کروموزم جنسی دو شکل (y,x) دارند در حالی که ماده ها یک جفت کروموزوم جنسی هم شکل دارند (x,x) در گل های نر حضور کروموزوم y منجر به توقف نمومادگی و ساخت یک ساختار شبه عصا می شود (بیشتر از 5 برچه ی لقاح یافته در گل های ماده یافت شده است). مسیر توقف سازی نمو برچه ممکن است تحت کنترل تنظیم اپی ژنتیکی باشد، این موضوع توسط تجزیه و تحلیل های جهش یافته آندروهرمافردیتیک تحریک شده با تیمار 5- آزاسیتیدین (معرف دمتیلاسیون) و توسط تجزیه و تحلیل جهش یافته های هرمافرودیت حاصل از حذف کروموزوم y نشان داده می شود. جهش یافته k.34 حذف کروموزوم y در سیلند یک فنوتیپ گل دو شکلی دارد که به عنوان بدون جنسیت بیان می شود (شکل 1a) و گل های ماده ناقص (شبه ماده) (شکل 1-b). مادگی گل های شبه ماده 1 تا 3 برچه دارند که و هر برچه عادی و بالا راست کروموزم y در k.34 دارای 2 حذف در ناحیه های توقف سازی مادگی و ارتقا پرچم است. ممانعت کامل از پرچم در k.34 به علت حذف ناحیه ارتقا پرچم است. متعاقباً همه ی گل های k.34 فاقد پرچم های بالغ هستند حذف جزئی در ناحیه ممانعت مادگی در k.34 ممکن است به طور کامل مادگی متوقف شده در گل های بدون جنسیت تولید کند و مادگی جزئی متوقف شده در گل های شبه ماده.
هدف مطالعه ما تعیین این است که آیا ممانعت اپی ژنیکی از نمو مادگی به علت تغییرات در الگوهای بیان sicuc , sistm در گل های k.34 است. اگر الگوهای بیان sicuc , sistm در k.34 باالگوهای ممانعت مادگی در نوع وحشی برابر باشند جهش یافته ها مسئول 2 ژنوتیپ جهش یافته k.34 مخالف sicuc , sistm عمل می کنند.
مواد و روش ها
Silene latifolia یک نمونه از گیاهان دو پایه است که گل های تولید می کند که تنها یک جنس روی هر گیاه است. تعیین جنسیت در سلیقه به طورکلی توسط کروموزوم های جنسی دو شکلی (xx برای ماده و xy برای نر) تعیین می شود. Inbred سیلند line k توسط 12 نسل از جفت های هم نیا تولید می شود این line گیاهان سالم آماده می کند. جهش k.34 درون line k به طور خود به خودی ایجاد می شود. K.34 2 نوع گل دارد وقتی که شکل های عادی برگ ها، stem ها و اندام های perianth باشد. یک فنوتیپ گلدار بدون جنسیت است و دیگری یک گل ماده ناقص (شبه ماده) است. همه آزمایشات با اولاد حاصل از بک کراس k.34 با نرهای نوع وحشی انجام شده است. شکوفه های گل k.34 > 0.25 میلی متر (> سطح 5) در طول تحت یک میکروسکوپ استرو مشاهده شده اند و طول مادگی و گلبرگ ها در نرهای نوع وحشی، ماده های نوع وحشی و گل های بدون جنسیت و گل های شبه ماده اندازه گیری شده است کل RNA از شکوفه های گل جوان با استفاده از مینی کیت RNeasy استخراج شده اند. RNA (100 ng) رونویسی معکوس شده است به CDNA با استفاده از یک رشته ابتدایی کیت سنتز CDNA. پراب های استفاده شده ژن های SISTM2, SICUC با پرایمرهای خاص SICUC (3’-GAAA CTGCTAGGGCTACTGA-5. SICUCR1, 3’-CCAG-AGCGTTCGACTTCTTC-5’, SICUCF2) و پرایمرهای خاص SISTM2 (3’-ATTTCTTCGGGCAGTCGTTA-5’, SISTM1-2 R1, 3’-GATGGCGAAGGCGAAGAC-5’,SISTM2F1) بدون منطقه های حفاظت شده بودند. درج تقویت شده برای دیگوکسی ژن پراب های Antisense, sense, RNA بایک برچسب DIG RNA می شدند. شکوفه های گل فورا درمحلول FAA ثابت می شدند (7/3 درصد فرمالدهید، 50 درصد اتانول، 5 درصد استیک اسید) در دمای 4 درجه سانتی گراد. شکوفه های تثبیت شده در سری های اتانول (25، 50، 75، 100 درصد) (هر مرحله به مدت 20 دقیقه در 4 درجه سانتی گراد) دهیدراته می شدند و در مدت یک شب در اتانول 10 درصد حفظ می شدند. نمونه ها در HISTOSEC خوابانده می شدند. قطعات (8 میکرومتر) با یک میکروتوم بریده می شدند و روی اسلایدهایی در 37 درجه در طول شب سوار می شدند. نوشته Kazama برای هیبریداسیون آزمایشگاهی (با اندکی تغییرات) استفاده می شود. هیبریداسیون در یک اتاق مرطوب در طول یک شب در دمای 55 درجه سانتی گراد اجرا می شود.
شکل 1- یک جهش یافته بدون جنسیت و شبه ماده k.34 از silene latifolia میکروگراف های الکترونی نگاره از یک گل بدون جنسیت (a) و یک گل شبه ماده (b). (c) الگوهای طویل سازی برچه پس از سطح 5 در نوع وحشی و گل های k.34 توسط نقشه طول مادگی (mm) در مقایسه با طول گلبرگ (mm. خط سقوط (خط تیره ها) نوع وحشی نر (سریع های باز) و گل های بدون جنسیت (مربع های پر) توسط معادله y=0.47x+0.28 توصیف می شود (r=0.90). خط سقوط (خط توپر) از ماده نوع وحشی (دایره های باز) و گل های شبه ماده k.34 (دایره های پر) توسط معادله (r=0.96) y=1.23x+0.42 توصیف شده است.
نتایج
گل های نر نوع وحشی از سیلند 10 تا پرچم و یک مادگی متوقف شده در شکل یک عصای متمایز نیافته دارد. گل های ماده نوع و حشی سیلند یک مادگی شامل 5 برچه لقاح یافته است و فاقد پرچم های بالغ است. K.34 اولین جهش یافته توصیف شده در سیلند است که گل های بدون جنسیت و گل های ماده ناقص در یک فرد دارد. گل های بدون جنسیت بالغ k.34 پرچم های ناقص و یک مادگی متوقف شده دارد (شکل 1a). گل های شبه ماده 1 تا 3 (اکثراً 2) خامه دارد به طور عادی 5 تا در گل های ماده نوع وحشی وجود دارد برچه های گل های شبه ماده شبیه به ماده های نوع و حشی بودند (شکل 1b).
مادگی k.34 2 الگوی ممانعت کننده دارد وقتی که همه ی پرچم ها به طور کامل متوقف شدند مادگی اولین گل ها در گل آذین متمایل به ممانعت جزیی است که دارای یک تخمدان کاهش یافته و 2 خامه است (گل های شبه ماده). فراوانی کل مادگی متوقف شده (مادگی گل های بدون جنسیت) درگل های روی شاخه های بعدی گل آذین افزایش یافته است.
ما طول مادگی را در نوع وحشی و شکوفه های گل k.34 بعد از سطح 5 اندازه گیری کرده ایم (وقتی پریموردیوم گلبرگ و پرچم بیرون می آید) و آن ها را در مقابل طول گلبرگ رسم می کنند (شکل 1c) زیرا طول گلبرگ در گل ها با اندازه های دیگر گل مرتبط است. ما یک ارتباط مثبت بین طول مادگی و طول گلبرگ در هر دو نوع وحشی و k.34 پس از سطح 5 شکوفه های گل مشاهده کرده ایم. در افراد نوع وحشی طویل سازی برچه در انواع نر و ماده حاصل می شود.
در سطح 9 یا بیشتر ماده های نوع وحشی، طویل سازی برچه در گل ها با گلبرگ ها بیشتر از 2/0 میلی متر طول تسریع می شود در آن زمان مادگی نوع وحشی ماده خامه ها را از نوک های برچه تولید می کند. در k.34 ما 2 نوع الگو طویل سازی برچه مشاهده می کنیم مشابه آن ها در نوع وحشی نر و ماده اولین تفاوت های مورفولوژیکی جنسی در سطح 5 در سیلند ظاهر می شود. شبیه به k.34 که قبلا در سطح 5 ،2 نوع برچه دارد وقتی که تفاوت های مورفولوژیکی جنسی ظاهر می شوند.
برای تعیین که آیا این 2 فنوتیپ اپی ژنتیک از نمو مادگی به علت تغییرات در الگوهای بیان sicuc , sistm2, sistm1 در k.34 است، ما بیان Sicuc, sistm2, sistm1 توسط هیبریداسیون آزمایشگاهی در گل های جوان قبل از سطح 5 تجزیه و تحلیل می کنیم. سطوح نمو گل های نوع و حشی توسط Farbos , Grant توصیف شده است. در سطح 2 هیچ پریموردیوم گلی قابل رؤیت نیست و پریموردیوم (دورترین نقطه) از 2 برگچه، در سطح 3 پریموردیوم کاسبرگ در کناره های مریستم گل ظاهر می شود. سطح 4 توسط بیرون آمدن همه 5 کاسبرگ قبل از ظهور پرچم ها و گلبرگ ها تعریف می شود. در سطح 5، تمام پریموردیوم اندام گل شکل گرفته اند. در گل های نوع وحشی در سطح 2، (sistm2, sistm1) sistm به طور شفاف در مرکز مریستم گل بیان می شوند و در نخستین پریموردیوم کاسبرگ میانی تحت تنظیم قرار می گیرد (شکل b,2a). در گل های نر نوع وحشی نواحی sistm منفی درون توده های لکه های تیره از سلول ها در موقعیت هایی که برای پریموردیوم مادگی در انتهای سطح 3 مورد انتظار است تحریک می شود (شکل m,I,2e) در مقایسه sistm به بیان شدن در موقعیت های مرکزی مریستم گل ماده نوع وحشی ادامه می دهد. (شکل n,j,2f).
|
|
بخشی از مقاله انگلیسی:
Summary The genes SlSTM1 and SlSTM2 (orthologs of Arabidopsis SHOOT MERISTEMLESS) and SlCUC (an ortholog of CUP-SHAPED COTYLEDON1 and CUC2) of the dioecious species Silene latifolia have been proposed to control the gynoecium suppression pathway in developing flowers. In a mutant of S. latifolia (K034) that produces no males but only asexual and imperfect female (female-like) flowers, both on the same individual, gynoecia are completely suppressed in asexual flowers and partially suppressed in female-like flowers. To determine whether these two epigenetic phenotypes in gynoecium development are caused by changes in SlSTM and SlCUC expression, we performed in situ hybridization with probes of SlSTM and SlCUC. We found two different pattern of gene expression in flower buds prior to the onset of phenotypic differentiation, which were similar to the reciprocal expression of the two genes described in male and female wild-type plants. In young K034 flower buds, 14.3% of developing structures showed female and the rest male determination. This ratio corresponds to the ratio of female-like to asexual flowers eventually produced by the K034 plants. The same ratio (7–16%) was not only found in the original mutants but also in the first and second backcross generations and in vegetative clones of the original mutant line. Hence, the switch-like and reciprocal SlSTM and SlCUC expression patterns in K034 correspond to the gynoecium suppression patterns in the wild type, suggesting that the mutation(s) responsible for the two mutant genotypes acts upstream of SlSTM and SlCUC. & 2009 Published by Elsevier GmbH. ARTICLE IN PRESS www.elsevier.de/jplph 0176-1617/$ – see front matter & 2009 Published by Elsevier GmbH. doi:10.1016/j.jplph.2009.04.004 Abbreviations: CUC, CUP-SHAPED COTYLEDON; DIG, Digoxigenin; STM, SHOOT MERISTEMLESS; NAC, NAM, ATAF, & CUC transcription factor. Corresponding author. Tel.: +81 4 7136 3679; fax: +81 4 7136 3674. E-mail address: kawano@k.u-tokyo.ac.jp (S. Kawano). Introduction SHOOT MERISTEMLESS (STM) and CUP-SHAPED COTYLEDON (CUC) genes in the model angiosperm Arabidopsis thaliana are central to shoot and flower meristem function. In A. thaliana, the STM gene, which encodes a putative transcription factor of KNOTTED1 class homeodomain proteins, is required for the maintenance of undifferentiated cells in the shoot meristem and for correct proliferation of cells in the flower meristem (Barton and Poethig, 1993; Clark et al., 1996; Endrizzi et al., 1996; Long et al., 1996). The STM gene is expressed in shoot apical, inflorescence, and flower meristems; it is also expressed in vascular tissues and in boundaries between flower whorls (Long et al., 1996). STM transcripts are downregulated in incipient flower primordia (Long et al., 1996). CUC genes (CUC1, CUC2 and CUC3) encode members of the NAC family (NAM, ATAF, and CUC) of transcription factors (Aida et al., 1997; Takada et al., 2001; Vroemen et al., 2003); they are involved in the establishment and maintenance of organ boundaries in shoot apical, inflorescence, and flower meristems. CUC gene expression occurs in one or two rows of cells that correspond to the boundaries of each organ primordium (Aida et al., 1997; Takada et al., 2001; Vroemen et al., 2003). Breuil-Broyer et al. (2004) showed that CUC2 is associated with a lack of cell proliferation, particularly in whorl boundaries. Regulatory feedback loops exist between STM and CUC genes in apical meristems of the Arabidopsis embryo (Aida et al., 1997, 1999; Takada et al., 2001). Zluvova et al. (2006) identified SlSTM1 and SlSTM2 (orthologs of STM) and SlCUC (an ortholog of CUC1 and CUC2) in the dioecious plant Silene latifolia. They performed in situ hybridization with SlCUC and SlSTM (SlSTM1 and SlSTM2) on young male flowers and female flowers and found differences between male and female flowers in the expression pattern of their genes. In female flowers at stage 3, SlSTM transcripts were expressed in the central portion of the meristem (the gynoecium region), but SlCUC transcripts were not. In male flowers at the same stage, SlSTM transcripts were absent in the gynoecium region, while SlCUC transcripts were present. Hence, it is likely that SlSTM and SlCUC control the S. latifolia gynoecium suppression pathway at an early stage in both males and females. In S. latifolia, male plants have a pair of dimorphic sex chromosomes (X and Y), whereas females have a pair of identical sex chromosomes (XX). In male flowers, the presence of the Y chromosome leads to suppression of gynoecium development and to formation of a thin rod-like structure (rather than the five fused carpels found in female flowers; Grant et al., 1994; Farbos et al., 1997; Scutt et al., 1997). The suppression pathway of carpel development may be subject to epigenetic regulation; this was indicated by analyses of an androhermaphroditic mutant induced by 5-azacytidine (demethylating reagent) treatment (Janousek et al., 1996), and by analyses of hermaphrodite mutants obtained by deletions in the Y chromosome (Lardon et al., 1999). The Y chromosomal deletion mutant K034 of S. latifolia has a dimorphic flower phenotype expressed as asexual (Figure 1a) and imperfect female (female-like) flowers (Figure 1b). Gynoecia of female-like flowers have only one to three carpels, and each carpel is normal and fertile. The K034 Y chromosome has two deletions in the gynoecium-suppressing and stamen-promoting regions. Complete stamen suppression in K034 is caused by deletion of the stamen-promoting region. Consequently, all K034 flowers lack mature stamens. Partial deletion in the K034 gynoeciumsuppressing region may produce completely suppressed gynoecia in asexual flowers, and partially suppressed gynoecia in female-like flowers. The purpose of our study was to determine whether these two epigenetic suppressions of gynoecium development are caused by changes in the expression patterns of SlSTM and SlCUC in K034 flowers. If the switch-like and reciprocal SlSTM and SlCUC expression patterns in K034 correspond to the gynoecium suppression patterns in the wild type, the mutation(s) responsible for the two mutant genotypes of K034 acts upstream of SlSTM and SlCUC.
|