Колосок на 1 сентября: 10 праздничных причёсок на 1 Сентября

Digitaria atra иллюстрирована впервые, в первоначальное описание внесены поправки. Диагностика рода Digitaria завершается введением модификаций, связанных с морфологией колоска и согласованностью нижней леммы.Приведены некоторые замечания о нижнем палеа. Необычные морфологические характеристики колоска D. atra сравнивают с трибой Isachneae и некоторыми родами Paniceae.

Издается Ботаническим обществом Америки непрерывно с 1914 года. Американский журнал ботаники (AJB) является ведущим исследовательским журналом общества. AJB публикует рецензируемые, инновационные, важные исследования, представляющие интерес для широкой аудитории ученых во всех областях биологии растений (например,g., биоразнообразие, структура, функции, развитие, генетика, эволюция, воспроизводство, систематика), все уровни организации (от молекулярной до экосистемной) и все группы растений и родственные им организмы (цианобактерии, водоросли, грибы и лишайники).

Wiley — глобальный поставщик решений для управления контентом и управления контентом в областях научных, технических, медицинских и научных исследований; профессиональное развитие; и образование. Наши основные направления деятельности выпускают научные, технические, медицинские и научные журналы, справочники, книги, услуги баз данных и рекламу; профессиональные книги, продукты по подписке, услуги по сертификации и обучению и онлайн-приложения; образовательный контент и услуги, включая интегрированные онлайн-ресурсы для преподавания и обучения для студентов и аспирантов, а также для учащихся на протяжении всей жизни.Основанная в 1807 году компания John Wiley & Sons, Inc. уже более 200 лет является ценным источником информации и понимания, помогая людям во всем мире удовлетворять их потребности и реализовывать их чаяния. Wiley опубликовал работы более 450 лауреатов Нобелевской премии во всех категориях: литература, экономика, физиология и медицина, физика, химия и мир. Wiley поддерживает партнерские отношения со многими ведущими мировыми сообществами и ежегодно издает более 1500 рецензируемых журналов и более 1500 новых книг в печатном виде и в Интернете, а также базы данных, основные справочные материалы и лабораторные протоколы по предметам STMS.Благодаря расширению предложения открытого доступа, Wiley стремится к максимально широкому распространению и доступу к публикуемому контенту, а также поддерживает все устойчивые модели доступа. Наша онлайн-платформа Wiley Online Library (wileyonlinelibrary.com) — одна из самых обширных в мире междисциплинарных коллекций онлайн-ресурсов, охватывающих жизнь, здоровье, социальные и физические науки и гуманитарные науки.

Wheat VRN1, FUL2 и FUL3 играют критические и повторяющиеся роли в развитии колосков и детерминации колосков | Развитие

Семейство злаковых (Poaceae) насчитывает около 10 000 видов, включая важные продовольственные культуры, такие как рис, кукуруза, сорго, ячмень и пшеница (Kellogg, 2001).Цветки этих видов организованы в уникальную диагностическую структуру, называемую колоском (буквально «маленький колос»), который представляет собой компактное соцветие, развивающееся внутри более крупного соцветия (Malcomber et al., 2006). Колосок обычно имеет два стерильных прицветника (называемых чешуйками), охватывающие один или несколько цветков. Каждый цветочек состоит из плодолистика, трех или шести тычинок и двух видоизмененных чешуек (называемых лодикулами). Все они покрыты двумя прицветниками, палеей и леммой (Preston et al., 2009).

Соцветия травы были описаны как прогрессивное приобретение различных меристемных характеристик, которое начинается с перехода вегетативной апикальной меристемы побега (SAM) в меристему соцветия (IM). IM генерирует меристемы латеральных первичных ветвей (PBM) и меристемы вторичных ветвей (SBM), которые заканчиваются меристемами колосков (SM), которые генерируют чешуйки и боковые цветочные меристемы (FM) (McSteen et al., 2000). Эта модель была полезным феноменологическим описанием, но она слишком жесткая для объяснения некоторых мутантов ветвления травы, поэтому появляется более гибкая модель, в которой судьба меристемы регулируется генами, экспрессируемыми в дискретных сигнальных центрах, расположенных рядом с меристемами (Whipple, 2017). .

У пшеницы укорочение ветвей соцветий приводит к образованию колосков, прикрепленных непосредственно к центральной оси или рахису, и образованию производного соцветия, колоса, в котором колоски расположены попеременно противоположными вертикальными рядами (двоякий рисунок) (Kellogg et al., 2013). На начальной стадии IM формирует структуру с двойным гребнем, в которой нижние гребни листа подавлены, а верхние гребни приобретают идентичность SM и образуют колоски. Количество колосков на колос определяется количеством латеральных меристем, сформированных до перехода IM в SM, чтобы сформировать терминальный колоск. У пшеницы рост колоса определен, но рост каждого колоска неопределенен, причем каждый SM инициирует различное количество FM (Ciaffi et al., 2011). Количество колосков на колосе и цветков на колосок определяет максимальное количество зерен на колос и являются важными компонентами потенциала урожайности зерна пшеницы.

Исследования на Arabidopsis , который имеет более простое соцветие, чем травы (Malcomber et al., 2006), показали, что факторы транскрипции MADS-бокса MIKC-типа APETALA1 (AP1), ЦВЕТНАЯ (CAL) и FRUITFULL (FUL) имеют решающее значение. в определении идентичности цветочной меристемы.У тройного мутанта ap1calful IM не способен давать цветы и повторяет развитие листовых побегов (Ferrándiz et al., 2000). Белки MADS-бокса MIKC-типа имеют высококонсервативный ДНК-связывающий домен MADS, промежуточный (I) домен, кератин-подобный (K) домен и C-концевой домен (C). Эти белки связываются в виде димеров с последовательностями ДНК, называемыми «блоками CArG», и образуют тетрамерные комплексы, которые могут распознавать различные блоки CArG. Мультимерная природа этих комплексов порождает большое количество комбинаторных возможностей с различными целями и функциями (Honma and Goto, 2001; Theissen et al., 2016).

У риса комбинированные мутации с потерей функции в MADS14 и MADS15 привели к образованию соцветий с листообразными органами на верхушках первичных ветвей (Wu et al., 2017). Одновременный нокдаун риса MADS14 , MADS15 и MADS18 на фоне мутанта pap2 ( PAP2 также известен как MADS34 ) устраняет образование первичных ветвей и приводит к образованию боковых вегетативных побегов. с листьями (Kobayashi et al., 2012). Ортологами пшеницы для риса MADS14 , MADS15 и MAD18 являются ВЕРНАЛИЗАЦИЯ 1 ( VRN1 ), FUL2 и FUL3 соответственно. Филогенетический анализ белков, кодируемых этими генами (Рис. S1), показывает, что Arabidopsis и белки травы имеют независимые истории субфункционализации (Preston and Kellogg, 2006). В линии травы клады VRN1 и FUL2 ближе друг к другу, чем клады FUL3 (Preston, Kellogg, 2006).Мутации, вызывающие большие усечения в белках, кодируемых двумя гомеологами VRN1 в тетраплоидной пшенице, задерживают время колошения, но не изменяют морфологию колосков или способность цветов образовывать жизнеспособные зерна (Chen and Dubcovsky, 2012). Поскольку FUL2 и FUL3 являются ближайшими паралогами VRN1 , мы предположили, что они могут иметь повторяющиеся функции идентичности колосков и цветочных меристем.

В этом исследовании мы объединили мутанты с потерей функции для двух гомеологов VRN1 , FUL2 и FUL3 для получения двойных и тройных нулевых мутантов на одном и том же тетраплоидном фоне.Характеристика этих мутантов показала, что VRN1 , FUL2 и FUL3 выполняют перекрывающиеся роли в регуляции времени цветения и удлинения стебля и, что более важно, что они играют критическую и избыточную роль в развитии колосков, подавлении нижнего листа. определенность гребня и шипа. Индивидуальные мутанты vrn1 и ful2 показали значительное увеличение количества колосков и зерен на колос, что позволяет предположить, что манипуляции с этими генами могут способствовать увеличению потенциала урожайности зерна пшеницы.

Мы идентифицировали точечные мутации в гомеологах генома A и B генов FUL2 и FUL3 в этилметансульфонатной (EMS) -мутагенизированной популяции тетраплоидного сорта яровой пшеницы Кронос (Красилева и др., 2017; Uauy et al. , 2009). Мы выбрали мутации, которые генерировали преждевременные стоп-кодоны или модифицированные сайты сплайсинга. Предполагается, что белки, кодируемые этими мутантными аллелями, имеют большие делеции или полные усечения доменов K и C (рис.S2; Материалы и методы) и, следовательно, скорее всего, не работают. Мы дважды или трижды скрещивали каждый отдельный мутант на нулевой фон Kronos vrn-2 (Distelfeld et al., 2009b), чтобы уменьшить фоновые мутации. Этот генетический фон был использован для предотвращения чрезвычайно позднего цветения растений, несущих нулевую мутацию vrn1- в присутствии функционального репрессора цветения VRN2 (Chen and Dubcovsky, 2012). Все мутанты, описанные в этом исследовании, находятся на нулевом фоне Kronos vrn2-, который на всех фигурах обозначен как «Контроль».

Мы скрестили мутанты гомеологов A и B для каждого гена и отобрали растения, гомозиготные по обеим мутациям. Для простоты мутанты с мутациями потери функции в обоих гомеологах будут называться нулевыми мутантами (например, vrn1- null). Нулевые мутанты ful2- и нулевые ful3- были скрещены с нулевыми мутантами vrn1- (Chen and Dubcovsky, 2012) для получения нулевых мутантов vrn1ful2- и vrn1ful3- нулевых мутантов, которые были скрещены для получения всех восьми. гомозиготные комбинации аллелей VRN1 , FUL2 и FUL3 , включая тройной нулевой мутант vrn1ful2ful3 .Эти восемь генотипов были проанализированы на предмет длины стебля (фиг. 1A) и количества листьев (фиг. 1B) с использованием трехфакторного факторного анализа ANOVA (фиг. 1C).

Рис. 1.

Влияние VRN1 , FUL2 и FUL3 на длину стебля, количество листьев и время колошения. растений Kronos ( vrn2, — нулевой фон), выращенных в фотопериоде длинного дня. Длину стебля определяли от основания растения до основания колоса.(A) Длина стержня в см ( n = 6-12). (B) Количество настоящих листьев ( n = 6-12). Красные аллели указывают на гомозиготные нулевые мутанты и аллели в черных гомозиготных аллелях дикого типа. (C) P — значения из трехфакторного дисперсионного анализа для длины стебля и количества листьев, включая все восемь гомозиготных комбинаций аллелей VRN1 , FUL2 и FUL3 ( n = 59). * P <0,05; ** P <0,01; *** P <0,001; **** П <0.0001; NS, P > 0,05. (D) Время курса vrn1 -null ( n = 6) по сравнению с контролем ( n = 6). (E) Время заголовка ful2ful3 -null ( n = 15) по сравнению с контролем ( n = 10) на фоне Vrn1 . D и E — отдельные эксперименты. Планки погрешностей — s.e.m. *** P <0,001; NS, P > 0,05, рассчитано по непарным, двусторонним t -тестам.

Рис. 1.

Влияние VRN1 , FUL2 и FUL3 на длину стебля, количество листьев и время колошения. растений Kronos ( vrn2, — нулевой фон), выращенных в фотопериоде длинного дня. Длину стебля определяли от основания растения до основания колоса. (A) Длина стержня в см ( n = 6-12). (B) Количество настоящих листьев ( n = 6-12). Красные аллели указывают на гомозиготные нулевые мутанты и аллели в черных гомозиготных аллелях дикого типа. (C) P — значения из трехфакторного дисперсионного анализа для длины стебля и количества листьев, включая все восемь гомозиготных комбинаций аллелей VRN1 , FUL2 и FUL3 ( n = 59).* P <0,05; ** P <0,01; *** P <0,001; **** P <0,0001; NS, P > 0,05. (D) Время курса vrn1 -null ( n = 6) по сравнению с контролем ( n = 6). (E) Время заголовка ful2ful3 -null ( n = 15) по сравнению с контролем ( n = 10) на фоне Vrn1 . D и E — отдельные эксперименты. Планки погрешностей — s.e.m. *** P <0,001; NS, P > 0,05, рассчитано по непарным, двусторонним t -тестам.

Поскольку у некоторых комбинаций мутантов отсутствуют настоящие шипы, мы определили окончательную длину стебля от основания растения до основания шипа (или шиповидную структуру) вместо общей высоты растения. Растения, несущие только нулевую мутацию ful3-, не показали значительного уменьшения длины стебля, но растения, несущие нулевые мутации vrn1- или нулевые мутации ful2-, были на 20% и 14% короче, чем контроль, соответственно (рис.1А). Трехфакторный факторный дисперсионный анализ длины стебля выявил очень значимые эффекты для всех трех генов (рис. 1С). Все три комбинации двойных мутантов имели более короткие стебли, чем предсказывалось на основе комбинированных аддитивных эффектов отдельных мутаций, что отражалось в значительных синергических взаимодействиях (рис. 1C). Взятые вместе, эти результаты показывают, что VRN1 , FUL2 и FUL3 играют повторяющуюся роль в регуляции удлинения стебля, и что влияние отдельных генов больше в отсутствие других паралогов.

Функциональное резервирование между VRN1 , FUL2 и FUL3 также наблюдалось для времени заголовка. Мутант vrn1 -null появился на 37,5 дней позже, чем контроль (рис. 1D), но различия во времени заголовка для мутантов ful2- null, ful3- null и ful2ful3 -null мутантов в присутствии сильный аллель Vrn-A1 не были значимыми (рис.1E). Для нулевых мутантов vrn1ful2- и vrn1ful2ful3- было невозможно точно определить время заголовка, поскольку у них были короткие стебли и аномальные шипы, которые мешают нормальному появлению ушей. Вместо этого мы определили окончательное количество листьев (рис. 1B) и время перехода между вегетативной стадией и стадией двойного гребня (рис. S3).

Трехфакторный факторный дисперсионный анализ количества листьев выявил очень значимые эффекты для трех отдельных генов, а также для всех двух- и трехсторонних взаимодействий (рис.1С). Мутант vrn1 -null имел в среднем 14,4 листа (59%> контроль; фиг. 1B), что соответствовало его более позднему времени заголовка (фиг. 1D). Сходное количество листьев было обнаружено у vrn1ful2- нулевых (14,3) и vrn1ful3- нулевых (14,9), но тройной нулевой мутант vrn1ful2ful3- имел в среднем 17,7 листьев (рис. 1B), что соответствовало 9 — к 12-дневной задержке перехода между вегетативной САМ и стадией двойного гребня относительно нулевого контроля vrn1- (рис.S3). Эти результаты показывают, что FUL3 обладает остаточной способностью ускорять цветение в отсутствие VRN1 и FUL2.

Трансгенные растения Kronos, сверхэкспрессирующие кодирующие области FUL2 , слитые с C-концевой меткой 3 × HA (далее Ubi :: FUL2 ; Рис. S4A, события № 1 и № 6) или FUL3 , слитого с C -терминальный тег 4 × MYC (далее Ubi :: FUL3 ; рис.S4B, события № 4 и № 5) начинались на 2-4 дня раньше, чем нетрансгенные сестринские линии ( P <0,0001). Эффект Ubi :: FUL2 был дополнительно охарактеризован в потомстве F ₂ от скрещивания Ubi :: FUL2 ( Vrn1Vrn2 ) и vrn1vrn2 -null в условиях теплицы. Трехфакторный дисперсионный анализ времени заголовка показал значительные эффекты для VRN1 , Ubi: FUL2 и VRN2 и для всех двух- и трехсторонних взаимодействий ( P <0.0001, таблица S3). При наличии функционального аллеля VRN2 различия во времени заголовка между FUL2 дикого типа ( FUL2- wt) и Ubi :: FUL2 аллелями были небольшими в линиях, гомозиготных по функциональному аллелю VRN1 ( 2,6 дня; фиг. S4A), промежуточное звено у гетерозиготных линий VRN1 и (11,1 дня; фиг. S4C) и большое у гомозиготных нулевых мутантов vrn1- (53 дня; фиг. S4D). Эти результаты показывают, что влияние трансгена Ubi :: FUL2 на время заголовка зависит от конкретных аллелей VRN1 и VRN2 , присутствующих в генетическом фоне (рис.S4C, D).

Таким образом, сильный эффект VRN1 на ускорение времени цветения пшеницы может маскировать меньшие эффекты FUL2 и FUL3 , но в отсутствие VRN1 как FUL2 , так и FUL3 имеют избыточное влияние на ускорение времени цветения пшеницы.

Поскольку существует известная регулирующая петля с положительной обратной связью между VRN1 и FT1 (Shaw et al., 2019), мы сравнили уровни транскриптов FT1 в листьях различных комбинаций мутантов VRN1 , FUL2 и FUL3 . Уровни транскрипта FT1 выше, чем ACTIN , наблюдались в листьях 4-недельных растений, несущих аллель Vrn1 дикого типа, но были обнаружены только через 10 недель у растений, несущих нулевой аллель vrn1- (рис. . S5A, B). Этот результат согласуется с большими различиями во времени колошения между этими генотипами (рис.1D). Уровни транскрипта FT1 у 10-недельных нулевых растений vrn1- были самыми высокими в присутствии аллелей FUL2 и FUL3 дикого типа и самыми низкими в тройном мутанте (рис. S5C), что согласуется с большее количество листьев у этого генотипа (рис. 1B). Даже в нулевых растениях vrn1ful2ful3- уровни транскрипта FT1 повышались выше ACTIN у 14-недельных растений (фиг. S5D). Взятые вместе, эти результаты показывают, что уровни экспрессии FT1 и в листьях положительно регулируются VRN1 , FUL2 и FUL3 , но они также могут быть активированы в отсутствие всех трех из этих генов.

Растения с индивидуальными мутациями vrn1- null, ful2- null и ful3- нулевые мутации давали нормальные колоски и цветки, но vrn1ful2- null или vrn1ful2ful3- нулевые мутанты имели шиповидные структуры, в которых все латеральные Колоски были заменены листовыми побегами (рис. 2A-J), которые в дальнейшем называются «побегами соцветий». Удаление этих побегов соцветия показало более толстый и короткий рахис с меньшим количеством междоузлий переменной длины, но все же сохраняющий характерные чередующиеся углы междоузлий, типичные для рахиса дикого типа (рис.2Б).

Рис. 2.

Фенотипическая характеристика мутантов vrn1ful2 и vrn1ful2ful3 . (A) Стебли и головки мутантов vrn1- null, vrn1ful2- null и vrn1ful2ful3- null (перед фотографированием листья были удалены). (B) Взлеты разных мутантов. Стрелки указывают положение первого колоска перед удалением. (C-G) нуль-мутант vrn1ful2- .(C) Шиповидная структура. Стрелка указывает на прицветник, примыкающий к корневому побегу соцветия. (D) Шиповидная структура после удаления побегов соцветия, на которой видны переходящие прицветники (стрелки). (E) Рассечение побега соцветия, показывающее, что две чешуи и одна лемма частично преобразованы в листья, за которыми следуют четыре листа. На вставке с желтой рамкой показан переход меристемы в ИМ с боковыми ВМ. (F) Деталь белого прямоугольника в E, показывающая завязь, два пыльника, листовую лемму и палею.(G) Листовые бледные листья и лодикулы, соединяющие один пыльник и два яичника. (H-J) нуль-мутант vrn1ful2ful3- . (H) Нормальные листья от L11 до L18 без пазушных почек. L19 отмечает начало шиповидной структуры, в которой колоски заменены побегами, за которыми следуют листья (L19 и L20) или прицветники. (I, J) Деталь культиваторов, обозначенных L19 (I) и L20 (J). Вставки в белых прямоугольниках — это SAM этих культиваторов (переход в IM с боковым VM), а желтый прямоугольник представляет истощенный IM.

Рис. 2.

Фенотипическая характеристика мутантов vrn1ful2 и vrn1ful2ful3 . (A) Стебли и головки мутантов vrn1- null, vrn1ful2- null и vrn1ful2ful3- null (перед фотографированием листья были удалены). (B) Взлеты разных мутантов. Стрелки указывают положение первого колоска перед удалением. (C-G) нуль-мутант vrn1ful2- . (C) Шиповидная структура. Стрелка указывает на прицветник, примыкающий к корневому побегу соцветия.(D) Шиповидная структура после удаления побегов соцветия, на которой видны переходящие прицветники (стрелки). (E) Рассечение побега соцветия, показывающее, что две чешуи и одна лемма частично преобразованы в листья, за которыми следуют четыре листа. На вставке с желтой рамкой показан переход меристемы в ИМ с боковыми ВМ. (F) Деталь белого прямоугольника в E, показывающая завязь, два пыльника, листовую лемму и палею. (G) Листовые бледные листья и лодикулы, соединяющие один пыльник и два яичника. (H-J) нуль-мутант vrn1ful2ful3- .(H) Нормальные листья от L11 до L18 без пазушных почек. L19 отмечает начало шиповидной структуры, в которой колоски заменены побегами, за которыми следуют листья (L19 и L20) или прицветники. (I, J) Деталь культиваторов, обозначенных L19 (I) и L20 (J). Вставки в белых прямоугольниках — это SAM этих культиваторов (переход в IM с боковым VM), а желтый прямоугольник представляет истощенный IM.

У нулевых мутантов vrn1ful2- около 70% побегов центрального соцветия имели листовые чешуйки, чешуйки и чешуйки, а также аномальные органы цветков, тогда как остальные были полностью вегетативными.Цветочные аномалии включали листовые листочки, уменьшенное количество пыльников, пыльники, сросшиеся с яичниками, и множественные яичники (рис. 2E-G). После первого модифицированного цветочка меристемы от побегов соцветий образовали 2-5 настоящих листьев перед тем, как снова перейти к IM, генерируя боковые VM (рис. 2E). Комбинированное присутствие цветковых органов и листьев предполагает, что исходная меристема имела промежуточную идентичность между VM и SM до перехода к IM. У нулевого двойного мутанта vrn1ful2- побеги соцветий закрыты прицветниками (рис.2В, Г).

У нулевых мутантов vrn1ful2ful3- боковые меристемы образовывали побеги соцветий, которые не имели органов цветков, и которые были покрыты листьями в базальных положениях и прицветниками в более дистальных положениях (Рис. 2H-J). Наличие хорошо развитых пазушных побегов в этих листьях базального соцветия (рис. 2H, L19 и L20) обозначало границу шиповидной структуры, поскольку на настоящих листьях, расположенных ниже этой границы, не было обнаружено пазушных побегов или развивающихся почек ( Инжир.2H, L11-L18).

Сканирующая электронная микроскопия (СЭМ) изображения ранних развивающихся соцветий у нулевых мутантов vrn1ful2- и vrn1ful2ful3- выявили удлиненные двояковыпуклые структуры, подобные таковым у Kronos (рис. 3A) или vrn1- null ( Рис. 3C) растения. Подавление нижнего гребня листа было полным у Kronos (рис. 3A) и у vrn1- null (рис. 3D, красные стрелки), но было неполным в vrn1ful2- null (рис.3B, E, желтые стрелки), и еще слабее в vrn1ful2ful3- null (рис. 3C, F, зеленые стрелки). В результате этого изменения побеги соцветий были заменены прицветниками в vrn1ful2- null (Рис. 2C, D) и листьями в vrn1ful2ful3- null (Рис. 2H, I). Верхние гребни (рис. 3A-C, точки) переходили в нормальные SM в vrn1- null, с зачатками чешуек и lemma (рис. 3D, G), но выглядели как типичные вегетативные меристемы в vrn1ful2- null и vrn1ful2ful3- нулевых растений (рис.3E, F, H, I).

Рис. 3.

Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии. Ранняя стадия двойного гребня (A-C) и более поздняя стадия (D-I), показывающая судьбу латеральных меристем. (A) Контроль Кроноса. (D, G) vrn1- нулевой контроль. Красные стрелки указывают на подавленный нижний гребешок листа, а красные точки — на верхние гребни, которые развиваются в нормальные колоски (D, G). (B, E, H) нуль-мутантов vrn1ful2- . Желтыми стрелками обозначены частично вытесненные нижние гребни листьев, которые развиваются в прицветники (см.рис.2D), а желтые точки указывают на верхние гребни, которые развиваются в промежуточные меристемы, которые генерируют структуры, похожие на побеги, с измененными органами цветка (см. Рис. 2E-G). (C, F, I) нуль-мутантов vrn1ful2ful3- . Зеленые стрелки указывают базальные нижние гребни листа, которые развиваются в нормальные листья (см. Рис. 2H), а зеленые точки указывают верхние гребни, которые производят боковые вегетативные меристемы, которые генерируют вегетативные побеги без органов цветков (см. Фиг. 2I-J). Масштабные линейки: 200 мкм.

Рис.3.

Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии. Ранняя стадия двойного гребня (A-C) и более поздняя стадия (D-I), показывающая судьбу латеральных меристем. (A) Контроль Кроноса. (D, G) vrn1- нулевой контроль. Красные стрелки указывают на подавленный нижний гребешок листа, а красные точки — на верхние гребни, которые развиваются в нормальные колоски (D, G). (B, E, H) нуль-мутантов vrn1ful2- . Желтые стрелки указывают на частично вытесненные нижние гребни листа, которые развиваются в прицветники (см. Рис. 2D), а желтые точки указывают на верхние гребни, которые развиваются в промежуточные меристемы, которые образуют кущевидные структуры с измененными органами цветка (см. Рис.2E-G). (C, F, I) нуль-мутантов vrn1ful2ful3- . Зеленые стрелки указывают базальные нижние гребни листа, которые развиваются в нормальные листья (см. Рис. 2H), а зеленые точки указывают верхние гребни, которые производят боковые вегетативные меристемы, которые генерируют вегетативные побеги без органов цветков (см. Фиг. 2I-J). Масштабные линейки: 200 мкм.

Чтобы лучше охарактеризовать относительные эффекты VRN1 и FUL2 , мы исследовали их индивидуальные эффекты, когда они представлены в виде единой функциональной копии в гетерозиготном состоянии (подчеркнуто).И ful2- null / Vrn-A1 vrn-B1-null (функциональный аллель Vrn-A1 для привычки к весеннему росту) и ful2- null / vrn-A1 -null vrn-B1 ( функциональный аллель vrn-B1 для зимней привычки роста) образовывал шиповидные структуры с листовыми боковыми побегами (рис. S6A, B) и нормальными органами цветков (рис. S6C), но без жизнеспособных семян. В развивающихся колосках этих растений наблюдались боковые меристемы с цветочными зачатками (рис. S6D), некоторые из которых позже превратились в колоски с удлиненной осью (рахиллы) и листовые органы (рис.S6E-G). Напротив, наличие единственной гетерозиготной копии FUL2 ( vrn1- null / ful-A2 -null Ful-B2 ) было достаточным для образования большего количества колосков нормального вида (рис. S6H-J). , некоторые из которых смогли заложить жизнеспособные семена. У этого мутанта также наблюдались аномальные колоски (рис. S6I) и базальные ветви с боковыми колосками и фертильными соцветиями (рис. S6J). Взятые вместе, эти результаты показывают, что VRN1 , FUL2 и FUL3 играют повторяющуюся и важную роль в развитии колосков, причем FUL2 имеет самый сильный эффект, а FUL3 самый слабый.

Частичная реверсия базальных колосков в вегетативные побеги, аналогичная описанной выше для нулевого мутанта vrn1ful2-, была описана в линиях ячменя, сверхэкспрессирующих SVP- подобные гены BM1 или BM10 (Trevaskis et al ., 2007). Чтобы проверить, были ли затронуты уровни транскриптов SVP- подобных генов пшеницы в нулевых мутантах vrn1ful2-, мы сначала определили их экспрессию во время нормального развития колоса у Kronos.Уровни транскриптов трех родственных паралогов пшеницы BM1 , BM10 и VRT2 (обозначения гена RefSeq v1.1 на рис. S7) снизились в три-пять раз по сравнению с начальными стадиями развития колоса (W2, шкала Ваддингтона). ) до стадии зачатка цветков (W3.5) (Рис. S7A-C).

Затем мы сравнили уровни транскрипции SVP- подобных генов пшеницы у нулевых мутантов vrn1ful2- и vrn1- нулевых.Растения выращивали в течение 53 дней в камере для выращивания до тех пор, пока развивающиеся шипы из vrn1- null не достигли стадии терминального колоска, а те из vrn1ful2- null не имели аналогичного количества боковых меристем. Уровни транскриптов BM1 , BM10 и VRT2 в развивающихся спайках были примерно в десять раз выше в нулевом мутанте vrn1ful2-, чем в нулевой и контрольной линиях vrn1- ( P <0,0001). ; Рис. S7D-F).Эти результаты предполагают, что VRN1 и FUL2 являются прямыми или непрямыми репрессорами транскрипции трех генов, подобных SVP пшеницы.

Нормальные колосья пшеницы детерминированы, причем дистальный IM переходит в терминальный колоск после образования относительно стабильного числа боковых меристем (Рис. 4A). В отличие от этого, в vrn1ful2- null ИМ был неопределенным (рис.4B) и продолжали формировать боковые меристемы, пока условия роста были благоприятными, и в конечном итоге погибли, не образуя какой-либо конечной структуры. На фоне ful2 -null одной функциональной копии VRN1 в гетерозиготном состоянии было достаточно для генерации детерминированного спайка (рис. S6D, ful2- null / vrn-A1- null vrn-B1 ), и то же самое верно для единственной функциональной копии FUL2 на нулевом фоне vrn1- (рис.S6K, vrn1- null / full-A2 -null Ful-B2 ).

Рис. 4.

VRN1 и FUL2 играют избыточные роли в контроле детерминированности спайков и количества колосков. (A) Сканирующая электронная микроскопия нормального колоса пшеницы с концевым колоском у нулевого мутанта vrn1-. (B) vrn1ful2 — нулевой мутантный колос с неопределенной апикальной меристемой.(C-E) Количество колосков на колос в эксперименте с камерой для выращивания ( n = 6). (C) vrn1- null (увеличение на 58% по сравнению с контролем), (D) ful2- null (увеличение 10%) и (E) ful3- null (без значительного увеличения). Столбцы представляют собой среднее значение ± s.e.m. звездочки указывают на статистически значимое отличие от контрольной линии. ** P <0,01; *** P <0,001; NS, P > 0,05, рассчитано по непарному, двустороннему t -тесту. (F) Средние ANOVA и значения P для признаков шипа в ful2- нулевых и сестринских контрольных линиях в поле (рандомизированный план полного блока с 8 блоками).

Рис. 4.

VRN1 и FUL2 играют избыточные роли в управлении определением спайков и их количеством. (A) Сканирующая электронная микроскопия нормального колоса пшеницы с концевым колоском у нулевого мутанта vrn1-. (B) vrn1ful2 — нулевой мутантный колос с неопределенной апикальной меристемой. (C-E) Количество колосков на колос в эксперименте с камерой для выращивания ( n = 6). (C) vrn1- null (увеличение на 58% по сравнению с контролем), (D) ful2- null (увеличение 10%) и (E) ful3- null (без значительного увеличения).Столбцы представляют собой среднее значение ± s.e.m. звездочки указывают на статистически значимое отличие от контрольной линии. ** P <0,01; *** P <0,001; NS, P > 0,05, рассчитано по непарному, двустороннему t -тесту. (F) Средние ANOVA и значения P для признаков шипа в ful2- нулевых и сестринских контрольных линиях в поле (рандомизированный план полного блока с 8 блоками).

Индивидуальные гомозиготные мутанты vrn1- нулевых и ful2- нулевых показали большее количество колосков на колос, чем контроль.Это увеличение составило 58% у нулевого мутанта vrn1- ( P < 0,0001; фиг. 4C) и 10% у нулевого мутанта ful2- ( P = 0,0014; фиг. 4D). Хотя у нулевого мутанта ful3- ( P = 0,4096; рис. 4E) не было обнаружено значительного увеличения количества колосков на колосья, две независимые трансгенные линии со сверхэкспрессией FUL3 ( Ubi :: FUL3 ) показали среднее уменьшение на 1,12 колоска на колос по сравнению с нетрансгенными сестринскими линиями ( P = 0.0132 и P <0,0001; Рис. S8A), что указывает на то, что FUL3 действительно играет роль во времени перехода от IM к оконечному колоску.

Аналогичное снижение количества колосков на колос наблюдалось в двух независимых трансгенных линиях Ubi :: FUL2 (1,05 колосков на колос, P <0,03; рис. S8B). Затем мы исследовали действие этого трансгена в присутствии различных аллелей VRN1, и VRN2 в популяции Ubi :: FUL2 × vrn1vrn2 -null F ₂ .У vrn2- нулевых растений F ₂ различия в количестве колосков между Ubi :: FUL2 и аллелями дикого типа были больше у vrn1- нулевых растений, чем у растений, гетерозиготных по VRN-A1 и VRN-B1 ( Vrn1- Het) (взаимодействие P < 0,0001; Рис. S8C). В отдельной группе растений F ₂ , фиксированных для Vrn1- Het и сегрегации для VRN2 и FUL2 , мы не обнаружили значительных эффектов для Ubi :: FUL2 , и взаимодействие не было значимым (рис.S8D). Однако мы наблюдали на 3,3 больше колосков на колос у растений, несущих аллель Vrn2 -wt, чем у растений с нулевым аллелем vrn2 ( P <0,0001; рис. S8D). Эти результаты предполагают, что сильный аллель Vrn-A1 для весеннего роста может маскировать эффекты трансгена Ubi :: FUL2 , но не эффекты VRN2 на количество колосков на колос.

На основании сильного эффекта, наблюдаемого у мутанта Arabidopsis tfl1 и мутанта Antirrhinum cen на детерминацию соцветий (Bradley et al., 1997; Ratcliffe et al., 1999), мы исследовали влияние мутаций vrn1ful2 -null на уровни экспрессии TFL1 / CEN--подобных гомологов пшеницы в развивающихся колосках. Поскольку предыдущая номенклатура не была доступна для паралогов пшеницы CEN , мы присвоили им номера, соответствующие расположению их хромосом, и обозначили их как CEN2 , CEN4 и CEN5 (обозначения RefSeq v1.1 можно найти в легенда рис.S9). Уровни транскриптов этих трех генов снижались по мере того, как развивающийся колос переходил от стадии двойного гребня к стадии зачатка цветков (шкала Ваддингтона от 2 до 3,5) (рис. S9A-C).

Сравнение vrn1ful2- нулевых и vrn1- нулевых растений, выращенных в течение 53 дней в одной и той же ростовой камере, показало, что уровни транскриптов CEN2 , CEN4 и CEN5 были значительно выше ( P <0 .0001) в развивающихся спайках нулевого мутанта vrn1ful2-, чем в таковых у нулевого мутанта vrn1- или контроля Kronos (все на нулевом фоне vrn2-). Эти различия были больше для CEN2 и CEN4 , чем для CEN5 (рис. S9D-F). Взятые вместе, эти результаты предполагают, что VRN1 и FUL2 работают как репрессоры транскрипции TFL1 / CEN-, как гомологи пшеницы.

В дополнение к большему количеству колосков на колос, нулевой мутант ful2- давал большее количество цветков на колосок, чем контроль Kronos, эффект, который не наблюдался для нулевого vrn1- (рис.2A) или ful3- нуль (рис. S10A). Среднее увеличение количества цветков было одинаковым у ful2- нулевых (1,3 цветков) и ful2ful3- нулевых (0,9 цветков), что позволяет предположить, что FUL3 оказывает ограниченное влияние на этот признак. Несмотря на некоторую неоднородность распределения колосков с дополнительными цветочками среди колосков, различия между контролем и нулевыми мутантами ful2- были значительными во всех положениях колосков (рис. S10B).

Ранее сообщалось о подобном увеличении количества цветков на колоске у растений Kronos, сверхэкспрессирующих miRNA172 под промотором UBIQUITIN (Debernardi et al., 2017). Для изучения генетических взаимодействий между Ubi :: miR172 и ful2- null мы скрестили трансгенные и мутантные линии и изучили их влияние на количество цветков в потомстве, используя двухфакторный факторный дисперсионный анализ. Мы обнаружили существенные различия в среднем числе цветков для ful2- нулевых и Ubi :: miR172 ( P < 0,01) и незначительно значимое взаимодействие ( P < 0,0435), которое можно визуализировать на графике взаимодействия в Инжир.S10C. Различия в среднем числе цветков между ful2 -нулем и контролем дикого типа были больше (и более вариабельны) в Ubi :: miR172 , чем в нетрансгенном фоне (рис. S10C). Это синергетическое взаимодействие предполагает, что miRNA172 и FUL2 могут контролировать количество цветков общим путем. Как мутантные, так и трансгенные линии показали гетерогенность между колосками в расположении колосков с увеличенным числом цветков (рис.S10D-F).

Основываясь на его положительном влиянии на количество цветков на колосок и колосков на колос (и на его небольшое влияние на время колошения), мы выбрали мутант ful2 -null для оценки в повторном полевом эксперименте. По сравнению с контролем нулевой мутант ful2- давал на 20% больше колосков на колос ( P = 0,0002) и на 9% больше зерен на колос ( P = 0,05), что привело к увеличению на 31% колосов. количество зерен в колосе ( P = 0.0002; Рис. 4F). Хотя отчасти положительный эффект на урожай зерна был компенсирован снижением средней массы зерна на 19% ( P = 0,0012), мы наблюдали небольшое чистое увеличение общей массы зерна на один колос на 6% ( P = 0,09; Рис. 4F). Эта отрицательная корреляция между числом зерен и массой зерна предполагает, что в данном конкретном генотипе по сочетанию среды урожайность зерна была более ограничена «источником» (произведенным и транспортируемым крахмалом), чем «поглотителем» (количеством и размером зерен).

Мы обнаружили очень значимые эффекты VRN1 , FUL2 и FUL3 на высоту растений и значимые синергетические взаимодействия (рис. 1A, C). Эти результаты предполагают, что VRN1 , FUL2 и FUL3 обладают избыточными функциями в регуляции удлинения ствола, и что их индивидуальные эффекты усиливаются в отсутствие других паралогов.О значительном уменьшении высоты растений также сообщалось для мутантов риса mads14 (12,2%) и mads15 (9,0%), а также двойного мутанта (43,8%), что свидетельствует о сохранении функции у трав (Wu et al. ., 2017).

Хотя молекулярные механизмы, с помощью которых эти гены влияют на удлинение стебля, в настоящее время неизвестны, косвенный способ, которым они могут способствовать этому признаку, заключается в их сильном влиянии на регуляцию FT1 (рис.S5), что связано с активацией генов биосинтеза гибберелловой кислоты (GA) в развивающемся спайке (Pearce et al., 2013). Недавнее исследование показало, что рис HEADING DATE 3 ( Hd3 ) и RICE FLOWERING LOCUS T 1 ( RFT1 ), ортологи пшеницы FT1 , могут повысить чувствительность стебля к GA за счет уменьшения PREMATURE INTERNODE Экспрессия ELONGATION 1 ( PINE1 ) в SAM и сжатой ножке (Gómez-Ariza et al., 2019). В Arabidopsis ряд генов, участвующих в гормональных путях, являются прямыми мишенями для FUL, что может объяснять более короткий стебель и междоузлия, обнаруженные у мутанта ful (Bemer et al., 2017). Характеристика прямых ДНК-мишеней и белковых интеракторов VRN1, FUL2 и FUL3 может пролить свет на механизмы, ответственные за консервативную роль этих генов в росте растений в травах.

VRN1 — один из основных генов, контролирующих естественную изменчивость времени цветения пшеницы (Fu et al., 2005; Киппес и др., 2016; Ян и др., 2003; Zhang et al., 2008), поэтому неудивительно, что vrn1- null задерживает время заголовка более чем ful2- null или ful3- null. Хотя сильный аллель Vrn-A1 для весеннего роста маскировал меньшие эффекты FUL2 и FUL3 (рис. 1A-C), на нулевом фоне vrn1 , ful2- null и У нулевых мутантов ful3- отмечена задержка начала цветения и увеличение количества листьев (рис.1B, F), что указывает на то, что FUL2 и FUL3 сохранили некоторую остаточную функциональность в отношении ускорения времени цветения пшеницы. Это было дополнительно подтверждено ускоренным цветением трансгенных растений Ubi :: FUL2 и Ubi :: FUL3 (рис. S4A, B). Аналогичные результаты были получены для Brachypodium distachyon и риса. В Brachypodium сверхэкспрессия VRN1 (Ream et al., 2014), FUL2 или FUL3 (Li et al., 2016) ускоряет цветение, а подавление VRN1 задерживает цветение по сравнению с нетрансгенными контролями (Woods et al., 2016). У риса сверхэкспрессия MADS15 также ускоряет цветение (Lu et al., 2012). Эти результаты предполагают консервативную роль этих генов в регуляции времени цветения трав.

Предыдущие исследования показали значительное генетическое взаимодействие между пшеницей VRN1 и VRN2 в регулировании времени колошения (Tranquilli and Dubcovsky, 2000).Это исследование показывает, что подобные взаимодействия существуют между FUL2 и VRN2 (рис. S4C, D). Популяция тетраплоидной пшеницы с сегрегацией по VRN1 , FUL2 и VRN2 выявила очень значимые двусторонние и трехсторонние взаимодействия между этими генами, что указывает на то, что влияние каждого из этих генов на время колошения зависит от конкретной комбинации. аллелей, присутствующих для двух других. Предыдущие исследования показали, что часть способности VRN1 ускорять цветение зависит от его способности подавлять VRN2 (Chen and Dubcovsky, 2012).Большее влияние на время заголовка трансгена Ubi :: FUL2 в присутствии функционального аллеля Vrn2 , чем на нулевом фоне vrn2- (рис. S4C, D), предполагает, что FUL2 репрессия VRN2 также может способствовать ускорению времени заголовка.

Интересно, что мутации в VRN1 , FUL2 и FUL3 были связаны с отложенной индукцией FT1 даже в отсутствие функциональных аллелей VRN2 (рис.S5). Линии, несущие аллель VRN1 дикого типа, показали высокие уровни FT1 в листьях на шесть недель раньше, чем линии, несущие нулевой аллель vrn1- и зацветшие на 37 дней раньше. Среди линий, несущих нулевой аллель vrn1-, линии с мутациями как в FUL2 , так и в FUL3 показали последнюю индукцию FT1 (рис. S5C, D) и имели на 3,3 листа больше (исключая листья в колосе). -подобная структура; рис. 1Б). Однако в 14-недельных нулевых растениях vrn1ful2ful3- транскрипты FT1 и все еще достигали более высоких уровней, чем ACTIN. Эти результаты показывают, что VRN1, FUL2 и FUL3 являются положительными регуляторами транскрипции FT1 , но они не важны для его экспрессии в листьях.

FT1 является положительным регулятором экспрессии VRN1 как в листьях, так и в SAM. Естественные вариации или эксперименты по трансформации, которые влияют на уровни транскрипта FT1 в листьях, всегда связаны с параллельными изменениями в экспрессии VRN1 (Lv et al., 2014; Ян и др., 2006). Взятые вместе, эти результаты предполагают существование петли положительной регуляторной обратной связи, в которой каждый ген действует как положительный регулятор другого. Хотя эта петля обратной связи может быть опосредована в некоторых случаях VRN2 (Distelfeld et al., 2009a), результаты этого исследования и Shaw et al. (2019) на фоне vrn2 -null предполагают существование петли положительной обратной связи, которая работает независимо от VRN2 . Эта гипотеза подтверждается способностью белкового комплекса FT1 – FDL2–14-3-3C связываться с промотором VRN1 пшеницы in vitro (Li et al., 2015) и VRN1 для связывания с промотором FT1 в экспериментах с ChIP-seq (Deng et al., 2015). Исследования на рисе предполагают возможность подобной регуляторной петли обратной связи между ортологичными генами (Kobayashi et al., 2012).

РНК in situ Исследования гибридизации на ранних стадиях развития соцветий у Lolium temulentum (Gocal et al., 2001), пшеницы и овса (Preston and Kellogg, 2008), а также у раннеспелых трав (Preston et al., 2009) показали экспрессию VRN1 и FUL2 в IM, латеральных SM и FM. Сходным образом трансгенные растения ячменя, трансформированные промотором VRN-h2 , слитым с GFP, проявляли флуоресценцию в трех меристемах (Alonso-Peral et al., 2011). VRN1, FUL2 и FUL3 могут взаимодействовать с разными партнерами MADS-бокса в IM, SM и FM и, следовательно, мутации в этих генах могут изменять разные функции в разных меристемах.

Значительное влияние VRN1 , FUL2 и FUL3 на время переходов от вегетативного SAM к IM и от IM к терминальному колоску указывает на то, что эти гены играют важную роль в приобретении и прекращении идентичности IM.На ранних стадиях развития шипа как нулевые мутанты vrn1ful2- , так и vrn1ful2ful3- показали удлиненную структуру с двумя гребнями с латеральными меристемами, организованными в виде дистихического филлотаксиса, который был подобен контролю Kronos (рис. 3A-C). и оба мутанта имели рахис, сходный с нормальным колосовидным позвонком (рис. 2В). Эти результаты предполагают, что эти функции IM не были нарушены комбинированными мутациями в VRN1 , FUL2 и FUL3 .

После стадии двойного гребня развитие латеральных меристем резко разошлось у vrn1ful2- нулевых и vrn1ful2ful3- нулевых мутантов по сравнению с нулевым контролем vrn1-. В vrn1- null верхние гребни переходили в SM, которые генерировали нормальные колоски, тогда как в vrn1ful2ful3- null они переходили в боковые VM, которые генерировали побеги соцветий (которые мы интерпретируем как идентичность пазушной меристемы по умолчанию).Нулевой мутант vrn1ful2- генерировал промежуточную структуру, которая давала как листово-цветочные органы, так и листья. Основываясь на этих результатах, мы пришли к выводу, что VRN1 , FUL2 и FUL3 играют существенные и повторяющиеся роли в развитии колосков и цветков. Однако в настоящее время мы не знаем, требует ли переход верхних гребней в SMs экспрессию функциональных белков VRN1, FUL2 и FUL3 в верхнем гребне, в IM или в обоих.

Замена базальных колосков на побеги соцветий, аналогичные описанным для vrn1ful2ful3- null, наблюдалась у растений ячменя со сверхэкспрессией BM1 и BM10 (Trevaskis et al., 2007). Эти два гена вместе с VRT2 связаны с генами Arabidopsis MADS-box SVP и AGAMOUS-LIKE 24 ( AGL24 ), которые играют важную роль в формировании цветочных меристем (Kaufmann et al. др., 2010; Лю и др., 2007). В Arabidopsis , SVP и AGL24 непосредственно репрессируются AP1 (Kaufmann et al., 2010). В отсутствие AP1 эктопическая экспрессия SVP и AGL24 трансформировала цветочные меристемы в меристемы побегов (Liu et al., 2007). Повышенная регуляция VRT2 , BM1 и BM10 в нулевых развивающихся колосках пшеницы vrn1ful2- (рис. S7), вместе с результатами трансгенного ячменя, предполагает, что эти гены могли способствовать наблюдаемой замене колосков. вегетативными побегами у vrn1ful2- нулевых растений.

Важной характеристикой IM травы является полное подавление нижнего гребня листа, перекрывающего все события ветвления, что в колосе пшеницы является подавлением нижнего гребня листа, перекрывающего колоск.Это подавление было нарушено у нулевых мутантов vrn1ful2- и vrn1ful2ful3- , у которых развились прицветники или листья, прилегающие к побегам соцветий (рис. 2C, D, HJ). Эти результаты предполагают, что все три гена вносят вклад в подавление нижнего гребня листа, но мы не знаем, требует ли это подавление экспрессии VRN1, FUL2 и FUL3 в латеральной меристеме, в IM или в обоих. В этом случае косвенный эффект IM представляется более вероятным, поскольку исследования гибридизации in situ обнаружили VRN1 и FUL2 (или их травяные ортологи) в верхнем гребне, а не в нижнем гребне листа (Gocal et al., 2001; Престон и Келлог, 2008 г .; Престон и др., 2009). Однако нельзя исключать более прямого воздействия на боковую меристему, поскольку слияние VRN1-GFP, управляемое промотором VRN1 , было обнаружено в нижнем гребне листа развивающегося колоса ячменя (Alonso-Peral et al., 2011) .

Побеги соцветий, образуемые листьями у vrn1ful2ful3- null, не сильно отличались от вегетативных побегов, но между ними была четкая граница.У риса и пшеницы на настоящих листьях не появляются пазушные почки или побеги, пока не сформируются 4-5 более молодых листьев (Friend, 1965; Oikawa and Kyozuka, 2009). Затем развитие почек в побеги происходит последовательно от более старых листьев к более молодым. Напротив, листья, развившиеся из нижнего гребня листа у vrn1ful2ful3- null (рис. 3C, F), с самого начала имели пазушные меристемы (верхний гребень), которые быстро развивались в пазушные побеги (рис. 2H, L19 и L20). . Настоящие листья ниже соцветия (рис.2H, L11-L18) не показали видимых пазушных почек, что является нормальным для листьев пшеницы, которые покрывают удлиненное междоузлие (Williams and Langer, 1975). Таким образом, даже у нулевого мутанта vrn1ful2ful3- была установлена ​​четкая граница между соцветием и вегетативными листьями.

Фенотип соцветия, подобный тому, который описан здесь для мутанта vrn1ful2ful3 -null пшеницы, был описан для четырехкратного нокдауна риса mads14mads15mads18pap2 , при котором метелка была заменена побегами, покрытыми листьями (Kobayashi et al., 2012). Авторы исследования риса интерпретировали этот фенотип как результат неполного перехода между вегетативным SAM и IM, и предположили, что эти гены действуют избыточно, чтобы способствовать идентичности IM и, следовательно, являются генами идентичности IM.

У пшеницы vrn1ful2ful3 -null изменения, наблюдаемые в латеральных меристемах, также можно объяснить постулированием косвенного влияния IM на регуляцию генов, экспрессируемых в центрах передачи сигналов, фланкирующих боковые меристемы.Однако те же изменения можно объяснить более прямым действием нефункциональных белков VRN1, FUL2 и FUL3 на латеральную меристему, где они обычно экспрессируются. Если эта вторая интерпретация верна, следует считать, что VRN1 , FUL2, и FUL3 включают функции идентификации SM в дополнение к функциям идентификации IM и FM. Эта предполагаемая функция идентичности SM согласуется с ролью гомологичных генов идентичности FM AP1 , CAL и FUL в Arabidopsis (Ferrándiz et al., 2000). Независимо от их прямого или косвенного влияния на идентичность SM, VRN1 , FUL2 и FUL3 необходимы для развития колосков как у пшеницы, так и у риса.

Это, по-видимому, не относится к гену риса PAP2 или его ортологу AGLG1 пшеницы (Yan et al., 2003). Кобаяши и др. (2012) предположили, что потеря функции этого гена важна для фенотипа риса mads14mads15mads18pap2 .Однако полное подавление колосков в присутствии функциональных генов PAP2 / AGLG1 у риса mads14mads15 (Wu et al., 2017) и пшеницы vrn1ful2ful3 -null мутантов предполагает менее важную роль для PAP2 в идентичности СМ.

Определенный рост колоса пшеницы отмечен переходом дистального IM в SM и образованием терминального колоска.Однако нулевые мутанты vrn1ful2- были неспособны образовывать колоски, и IM оставался неопределенным. Одной функциональной копии VRN1 или FUL2 в гетерозиготном состоянии было достаточно для восстановления детерминированности колоса (рис. S5D, K), что позволяет предположить, что IM пшеницы очень чувствителен к активности этих генов.

Мутации с потерей функции в TERMINAL FLOWER 1 ( TFL1 ) в Arabidopsis или в гомологе CENTRORADIALIS ( CEN ) в Antirrhinum приводят к образованию терминального цветка и трансформации неопределенные в детерминантные соцветия (Bradley et al., 1997; Ratcliffe et al., 1999). У риса нокдауны четырех гомологов CEN ( RCN1 — RCN4 ) уменьшали количество ветвей, тогда как их сверхэкспрессия увеличивала количество ветвей за счет конкуренции с гомологами FT риса (Kaneko-Suzuki et al., 2018; Накагава и др., 2002). У пшеницы сверхэкспрессия CEN-D2 увеличивала продолжительность стадии двойного гребня и увеличивала количество колосков на колос (Wang et al., 2017), тогда как мутации с потерей функции у ячменя CEN2 снижали количество колосков на колос (Bi et al., 2019). Основываясь на этих результатах, мы предполагаем, что активация гомологов CEN2 , CEN4 и CEN5 пшеницы в развивающемся спайке мутанта vrn1ful2 -null могла способствовать его неопределенному росту.

Мы показали в этом исследовании, что время перехода между IM и терминальным колоском модулируется с помощью VRN1 и FUL2 и что это влияет на количество колосков на спайк . Более сильный эффект vrn1- null (девять дополнительных колосков; рис. 4C) по сравнению с ful2- null (два дополнительных колоса; рис. 4D), вероятно, связан с более сильным влиянием VRN1 на время заголовка ( Рис. 1A-C), что дает больше времени для образования дополнительных колосков. Это, по-видимому, также имеет место в случае риса, где избыточная экспрессия MADS15 приводит к уменьшению количества первичных ветвей в метелке (Lu et al., 2012). Точно так же преждевременная мутация стоп-кодона в гомологе AP1 в семенах рапса изменила архитектуру растения и увеличила количество семян на растение (Shah et al., 2018). Взятые вместе, эти результаты предполагают, что мутации в этой группе генов идентичности меристемы могут быть полезны для модуляции количества семян у разных видов растений.

В дополнение к своему влиянию на количество колосков, мутация ful2 -null также была связана с увеличением количества цветков на колоске, что позволяет предположить, что этот ген способствует поддержанию ограниченного количества цветков на колоске (рис.S10C-F). Этот эффект не был обнаружен в vrn1, -null и ful3- null. Поскольку большее количество цветков на колоске и увеличенное количество колосков могут способствовать увеличению потенциала урожайности зерна, мы исследовали влияние нулевого мутанта ful2- на компоненты урожая зерна. В полевых исследованиях у растений ful2 -нулей было показано увеличение среднего количества зерен на колос на 30,8% по сравнению с контрольными сестринскими линиями. Хотя в этом эксперименте положительное увеличение количества зерен было частично компенсировано снижением среднего веса зерен, общий вес зерен на один колос все же был немного выше (6.3%) в нулевом мутанте ful2- относительно контроля. Было бы интересно проверить, может ли интрогрессия этой мутации в генотипах с высокой биомассой (увеличенный «источник»), выращенных в оптимальных агрономических условиях, уменьшить отрицательную корреляцию между количеством зерен и массой зерен.

Таким образом, наши результаты показывают, что VRN1 , FUL2 и FUL3 играют избыточную и важную роль в развитии колосков, подавлении нижнего гребня листа и детерминации колоса, и что мутации в VRN1 и FUL2 могут использоваться для увеличения количества колосков на колосе, что является важным компонентом урожая зерна.Эти результаты показывают, что лучшее понимание процессов, контролирующих развитие травяных цветов и соцветий, может способствовать повышению продуктивности группы видов, которые имеют решающее значение для глобального продовольственного снабжения.

Л., Динг, Б., и Хак, С. (1995). Селективный перенос гомеодоменного белка KNOT-

TED1 и его мРНК через плазмоды-

mata.Science 270: 1980–1983.

Ma, F., Jazmin, L.J., Young, J.D., and Allen, D.K. (2014). Изотопно

нестационарный

13

Анализ потока C для изменений метаболизма листьев Arabidopsis thaliana

из-за высокой световой акклиматизации. Proc. Natl. Акад. Sci.

США 111: 16967–16972.

Ма, Ф., Джазмин, Л.Дж., Янг, Д.Д., Аллен, Д.К. (2017). Изотопно

нестационарный анализ метаболического потока (INST-MFA) фотосинтеза

и фотодыхания у растений.Методы Мол. Биол. 1653: 167–194.

Maydup, M.L., Antonietta, M., Guiamet, J.J., Graciano, C., López,

J.R., and Tambussi, E.A. (2010). Вклад синтеза колоса photo-

в наполнение зерна мягкой пшеницей (Triticum aestivum L.). Поле

Crops Res. 119: 48–58.

McCormick, R.F., et al. (2018). Номер сорго двухцветный ge-

: улучшенная сборка, аннотации генов, атлас транскриптомов,

и признаки организации генома.Плант J. 93: 338–354.

МакКоун, М., Лунд, К., и О’Брайен, Дж. (1998). Репродуктивная биология

двух доминирующих степных злаков (Andropogon gerardii и Sor-

ghastrum nutans, Poaceae): Распределение полов по ветру с учётом самцов

опыляемых растений? Являюсь. J. Bot. 85: 776–783.

Моралес, К.Л., Травесет, А., и Хардер, Л.Д. (2013). Стерильные цветы

увеличивают привлекательность опылителей и способствуют успеху самок

средиземноморского растения Leopoldia comosa.Ann.Bot.111: 103–111.

Моцо Р. и Джунта Ф. (2002). Остистость влияет на урожай зерна и массу зерен

у почти изогенных линий твердой пшеницы. Aust. J. Agric.

Рез. 53: 1285–1293.

Нильсен, Л.Р., Филипп, М., и Зигизмунд, Х.Р. (2002). Селективное преимущество

лучевых стеблей у Scalesia affinis и S. pedunculata (As-

teraceae), двух эндемичных видов с Галапагосских островов. Evol. Ecol. 16:

139–153.

Никлас, К.Дж. (1987). Улавливание пыльцы и ветровое движение

компактных и рассеянных метелок травы — влияние на эффективность опыления

. Являюсь. J. Bot. 74: 74–89.

Патерсон, A.H., et al. (2009). Геном сорго двухцветного и разнообразие трав

. Природа 457: 551–556.

Peart, M.H. (1979). Эксперименты по биологическому значению морфологии

единиц распространения семян в травах. J. Ecol. 67:

843–863.

Пирт, М.Х. (1981). Дальнейшие эксперименты по биологическому значению

морфологии единиц распространения семян в травах. J. Ecol. 69:

425–436.

Peart, M.H. (1984). Влияние морфологии, ориентации и положения диаспор трав на выживаемость проростков. J. Ecol. 72: 437–453.

Пирт, M.H., и Клиффорд, H.T. (1987). Влияние морфологии диаспоры

и свойств поверхности почвы на распространение

трав. Дж.Ecol. 75: 569–576.

Пенджелли, Дж. Дж., Квасны, С., Бала, С., Эванс, Дж. Р., Вознесенская,

Е. В., Котеева, Н. К., Эдвардс, Г. Е., Фурбанк, Р. Т., и фон

Кэммерер, С. (2011). Функциональный анализ шелухи кукурузы фото-

синтез. Plant Physiol. 156: 503–513.

Ранган П., Фуртадо А. и Генри Р.Дж. (2016a). Комментарий: Новое свидетельство

о специфическом фотосинтезе зерна у пшеницы. Фронт. Завод

Науч. 7: 1537.

Ранган, П., Фуртадо А. и Генри Р.Дж. (2016b). Новые доказательства специфического фотосинтеза зерна

C

4 у пшеницы. Sci. Реп. 6: 31721.

Ассимиляция углерода в колосках сорго 3517

Реконструкция эволюционной истории паралогичных APETALA1 / FRUITFULL-подобных генов в злаках (Poaceae)