Что такое пестики и тычинки у людей это
Что такое пестик и тычинка в биологии?
Пестик и тычинка – одни из самых главных частей цветка. О них мы сегодня и поговорим, в частности, о том, из чего состоит тычинка и пестик, для чего они нужны и другие важные вопросы в биологии.
Тычинка и пестик: кто девочка, а кто мальчик
Как уже говорилось, тычинка и пестик – это репродуктивные органы цветка.
Обратите внимание! Тычинка – это репродуктивный орган мужского типа, а пестик – женский орган цветка.
Из чего состоит тычинка? Это часть цветка, в которой образуется пыльца. Она состоит из двух частей: пыльник и тычиночная нить. У пыльника есть два специальных мешка с гнездами пыльцы. Совокупность зерен пыльцы называется пыльцой. У каждого цветка может быть от одной до нескольких тысяч тычинок.
Совокупность тычинок называется андроцеем. Он может быть спиральным либо круговым, в зависимости от расположения тычинок.
Интересно, что иногда тычинки срастаются. Этот процес может быть частичным или полным. Например, у тыквенных тычинки срастаются полностью. А иногда может пестик срастаться с тычинкой. Из этого процеса образуется особый орган – колонка. Такое встречается у орхидей.
Пестик: его строение и функции
В оплодотворении очень важна тычинка, но не менее важен и пестик. Что такое пестик и зачем он нужен? Это репродуктивный орган цветка женского типа, размножение без которого невозможно. В зависимости от вида цветка в его строении может быть как один, так и несколько пестиков.
Образуется пестик при помощи одного или нескольких сросшихся плодолистиков. В его составе есть семязачатки, а также специальный проводниковый тракт, в котором растет пыльца во время начала процесса оплодотворения.
Пестик состоит из трех частей. Это завязь, столбик и рыльце. Все эти составляющие выполняют важные задачи в жизнедеятельности растения.
Завязь представляет собой нижнюю часть, то есть основание пестика. Но на этом его роль не заканчивается, так как после оплодотворения здесь продолжают свое развитие семена.
Столбик – это единственная в составе цветка стерильная часть. Он выходит из завязи и плавно переходит в рыльце, выполняя поддерживающую, каркасную роль. Столбики бывают открытыми, закрытыми или полузакрытыми, в зависимости от степени срастания стилодия.
А рыльце – это специальный орган, который выполняет самую важную задачу – ловить пыльцу.
К слову, пестик может быть простым или сложным, в зависимости от количества сросшихся (1 или более) плодолистиков.
Обоеполые и раздельнополые цветки
В зависимости от того, присутствуют ли в цветке тычинки или пестики, либо и тычинки, и пестики, все растения можно поделить на обоеполые и раздельнополые.
У обоеполых есть и мужские, и женские репродуктивные органы. А у раздельнополых присутствуют исключительно либо пестики, либо тычинки.
Интересно, что есть растения, на которых одновременно развивается 2 вида цветков – обоеполых и раздельнополых. Например, на огурцах и кукурузе такие цветки могут развиваться одновременно.
Тычинка и пестик. Строение цветка: схема
Самой удивительной и прекрасной частью современных цветковых растений является цветок. Разные растения имеют разные цветки: у одних они большие и душистые, у других – мелкие и невзрачные. Но все цветки на нашей планете выполняют одну и ту же функцию – размножение. За эту функцию у любого цветкового растения ответственны два органа, которые содержит каждый цветок – пестик, тычинка. Каждое растение имеет свои особенности расположения этих органов воспроизводства.
Соцветия
Цветы вырастают на побегах. Очень эволюция оптимизировала процесс репродуктивности, и часто побег отбрасывает несколько ответвлений, в каждом из которых образуется отдельный цветок. Такая форма образования цветков называется соцветием.
Соцветия бывают сложными и простыми. Простые совокупности цветков собирают все цветки на главной оси побега. Соцветия сложные характеризуются тем, что на главной оси расположены не отдельные цветки, а небольшие разветвленные соцветия, которые отражают строение цветка. Схема типичного соцветия приведена ниже:
Крупные цветки обычно растут поодиночке. В соцветия собираются цветки поменьше. Собранные вместе, они придают соцветию структурность и красочность, насыщая воздух вокруг себя ароматом нектара. Этот чудесных запах привлекает насекомых, которые стремятся к цветку и мимоходом переносят пыльцу с одного цветка на другой.
В соцветии также образуется больше семян и плодов, чем у одиночных цветков. Так достигается вероятность большего распространения того или иного вида растений на земле. В этом и заключается биологическое значение образования соцветий.
Соцветия-цветки
Некоторые соцветия в процессе эволюции стали выглядеть, как один огромный одиночный цветок. Так цветут подсолнечник, ромашка, василек, калина, георгина и множество других известных растений. Насекомые и животные, которые собирают нектар,обращают внимание на такие крупные и яркие цветки. Поэтому животные-опылители могут опылить за один раз сразу несколько соцветий.
Строение цветка
Схема цветка, представленная ниже, дает представление о типичном строении этого органа. Цветки различных растений расположены на плодоножке. Так называется последний узелок на стебле растения. Место, на котором, как на ладошке, распускается сам цветок, называется цветоложе. Этот орган является каркасом, на котором базируется строение цветка. Цветоложе окружает околоцветник, который защищает пестик и тычинку и привлекает насекомых к данному цветку.
Некоторые околоцветники образуют венчик. Так называется совокупность внутренних лепестков цветка, имеющих яркую, контрастную окраску. Венчик служит для визуального привлечения насекомых, которые собирают пыльцу.
Схема типичного цветкового растения представлена ниже.
Вся эта сложная конструкция предусмотрена для выполнения репродуктивной функции. Основными органами, отвечающими за возникновение плода, являются тычинка и пестик. Для примера и сравнения этих частей цветка рассмотрим, как они устроены у тюльпана и вишни.
Строение тычинки и пестика
Вишня и тюльпан — совершенно отличные между собой растения, их не спутает даже ребенок. Тем не менее, тычинка и пестик этих представителей флоры имеют много общего. Оба вида относятся к царству покрытосеменных. Пестик тюльпана столбика не имеет, и рыльце сидит прямо на верхней части завязи. Рыльце никогда не бывает гладким. Обычно оно шероховатое, ветвистое, иногда даже клейкое. Такие сложности в строении рыльца обусловлены тем, что ему нужно как можно больше собрать и оставить пыльцы для оплодотворения. Иногда рыльце расположено высоко на столбике – на большей высоте гораздо лучше улавливать пыльцу.
Пестик и тычинка, схема которых представлена ниже, отражают типичное строение репродуктивных органов покрытосеменного растения.
И у тюльпана, и у вишни виды тычинок одинаковые. Они состоят из тонкой нити и крупного пыльника. Внутри пыльника образуется большое скопление пыльцы, в которой каждая пылинка является отдельной мужской половой клеткой. Цветок вишни имеет множество тычинок, а у тюльпана их всего лишь шесть штук. Перенос пыльцы растения из пыльников на рыльце называют опылением. После того как пыльца осела на рыльце, происходит оплодотворение – мужские половые клетки сливаются с женскими, давая жизнь новому плоду.
Как видно из описания, и тычинка, и пестик одинаково важны для оплодотворения. Именно в пестике рождается плод, поэтому этот орган растения является женской частью цветка. Тычинки, в свою очередь, называются мужской частью цветка.
Мужские и женские цветки
В рассматриваемых выше примерах вишни и тюльпана тычинка и пестик содержались в каждом цветке этого растения. Таких представителей растительного мира называют обоеполыми. Но у некоторых растений в цветках бывают либо тычинки, либо одни пестики. Таких представителей нашей флоры называют однополыми. Среди однополых растений – огурцы, шелковица, тополь, облепиха. Каждый отдельный экземпляр однополого вида имеет либо мужские, либо женские цветки.
Обозначение мужских и женских растений
В ботанике принято пестичные (женские) цветки обозначать астрологическим символом Венеры. А мужские (тычиночные) помечают знаком Марса.
Однодомные и двудомные
Тычиночные и пестичные цветки довольно часто располагаются на одном и том же растении. Таким образом, данное дерево или куст способны к самоопылению и воспроизводству без посторонней помощи. Растения, которым присуще это качество, получили название однодомных. Типичные однодомные растения – огурцы, тыква, орешник. У других представителей растительного мира тычинки и пестики находятся на разных экземплярах растений. Такая особенность позволила ботаникам выделить эти экземпляры в класс двудомных растений. Широко распространены такие двудомные виды, как ива, крапива, тополь, осина.
Городским жителям средней полосы нашей страны хорошо знаком тополь – типичное двудомное растение. Весной тополя рассыпают пыльцу, а ранним летом женские экземпляры этого вида роняют белый пух. Известные всем белые облачка являются парашютами, с помощью которых тополь распространяет свои семена. Тонкие кружевные нити пуха позволяют семечку лучше держаться в воздухе и отлетать от дерева-родителя на значительное расстояние. Такой же метод распространения собственных плодов присущ одуванчикам.
Итоги
Тычинки и пестики – это важнейшие составляющие любого цветкового растения. Понимание принципов распространения растений в природе важно во многих сферах нашей повседневной жизни. Например, описанный выше способ размножения тополей приводит к многочисленным аллергическим заболеваниям. Высаживание лишь мужских особей этого растения в разы сможет уменьшить число больничных листов на городских предприятиях и улучшить здоровье жителей данного населенного пункта.
О пестиках и тычинках
(дело происходит в школе в маленькой сибирской деревне в 2015, без нормальной сотовой связи, интернета и т.д. Я приехала туда преподавать английский)
Девятый прискакал возбу взбудораженный. Рассевшись, они начали со смехом делиться, как на предыдущей биологии была тема «половое созревание и секс» и красная от смущения учительница рассказывала то, что они и так знали.
В качестве затравки по традиции шли пестики и тычинки, потом чуть-чуть физиологии и в конце о главном: надо предохранятся. Не вдаваясь в подробности.
— Что-ж, в моем девятом классе эта тема была отдана на самостоятельное изучение в каникулярное время, так что вам еще повезло, что у Н.Ю. хватило смелости ее затронуть.
— Ну да… тяжело ей было, никогда не видели, чтоб она так смущалась
— Но хоть что-нибудь полезное вы для себя вынесли?
Две девочки на весь класс – Алёнка и Геля – затараторили, что предохраняться надо, но «кроме как о презервативах ничего не сказали, а мы вот слышали. высчитывать можно и еще способы есть…»
— угу… Стёпка… заходишь ты такой в нашу аптеку, собираешь всю волю в кулак и просишь презервативы, пальцем в витрину тыкаешь, чтобы много не говорить, а Настя (провизор местный), так ехидно тебя спрашивает: «а размер какой?». Тут ты и сольешься…
Да, дружище, они еще и размеров разных бывают. Только вот о таких вещах на биологии не рассказывают… Да и кто из вас пойдет в нашу аптеку резинки покупать?
— Ясно, что никто. Ославиться никому не хочется
Девочки начали наперебой просить, чтоб я рассказала о «безопасном сексе», их эта тема интересовала больше чем Present Simple, пацаны же сидели с покер-фейсами. Только Стёпка вредничал:
— Да кому это все надо. Пестики и тычинки – вот это тема!
-Ну знаешь ли Степан, с таким подходом и до цыганщины не далеко – что ниже пояса – то грязно. Вам, на самом деле, стоило бы побольше знать друг о друге…
— Когда у Аленки ПМС мы и так все знаем – съязвил Стёпка и выхватил от нее подзатыльник.
Пару месяцев спустя я попала на сохранение в местную районную больницу и одним из (двух) самых сильных впечатлений была вереница женщин, на вид от 16 и до 60 лет. Каждый рабочий день, до обеда, они приходили на таблеточные аборты. И их было очень, очень много. Раз, я помню, проснулась от того, что врач орала на кого-то:
«Да ты-ж уже третий раз за год приходишь (дело было в апреле)! Какого черта вы не предохраняетесь. Вам же и спирали ставят, и презервативы бесплатно выдают. Что-ж вы с собой делаете.
Подивившись такой фертильности я задумалась, почему сделать аборт этим женщинам легче, чем попросить надеть презерватив? Откуда это попустительское отношение к своему здоровью и неуважение к себе?
p.s. Если честно, у меня пока нет однозначного мнения о том, надо ли всерьез затрагивать такие темы в школе, или сложившегося поверхностного подхода достаточно, ибо школа имеет поразительную способность любое, даже жизненно необходимое знание девальвировать до проходной информации по схеме «знал-здал-забыл».
Глядя на цены гондонов нынешние и так понятно почему студенты не предохраняются. Лучше они скушают еще одну шаверму на двоих.
Я считаю, что воспитание такое строго в семье должно проводиться, с объяснением всего. Что-то, что было возможно, мне папа сказал, но этого было очень мало для понимания. Мама с общества книголюбов принесла несколько книг, поскольку распространяла, ну и типа лежат они такие, а там есть вдруг (!) Подростковая психология, и ещё пару книг таких, и сексуальная энциклопедия для детей. Конечно, я их прочитал и очень многое понял.
Вообщем, купил я в аптеке «азиатский» размер. При всём желании он раскручивался и натягивался на две третьи прикрываемой части тела))).
Ох, мы тогда и намучились с моей будующей женой))
Занимались сексом аккуратно и медленно. Одно неловкое движение, и он слетал или что ещё смешнее- оставался «внутри»
Преподаватели английского поняли, что больше чем «Ландан из зэ кэпитал оф Грейт Бритн» из школы никто не вынесет и переключились на половое воспитание?
Покупать презервативы в семейной жизни достаточно накладно. 250р за пачку, в месяц штук 6-7 довольно таки существенно
Ответ на пост «Нас рассекретили… расходимся»
«Можно выйти?», или история с цветком
Так вот. Школа, класс 7ой. Идет урок, и приспичило моему другу в туалет. Все по плану: поднимает руку, ждет, когда его спросят, встает и четко говорит: «можно выйти?» Учительница оглядывает его с ног до головы, и, поскольку мой друг был не самым прилежным учеником (делал домашку только ту, что вызывала у него интерес, а остальную нещадно списывал) ответила ему: «и куда же это ты собрался?»
Друг: мне нужно в туалет.
Учительница: потерпишь, на перемене сходишь.
Проходят золотые пять минут, а желание усиливается. Снова рука, снова просьба выйти, снова отказ.
Тогда он встает и подходит к огромному цветку на подоконнике в конце кабинета, поворачивается ко всем спиной, расстегивает штаны и, конечно же, ссыт в горшок.
Крики, вопли, смех одноклассников, «РОДИТЕЛЕЙ К ДИРЕКТОРУ СЕГОДНЯ ЖЕ» выдавливает из себя учительница и выгоняет моего друга вон.
Он выходит. Конец первого действия.
Действие второе. Вечер, кабинет директора.
Залетает в приемную, раздевается на ходу, бросает суровый взгляд на сына, тот внимательнее вгляделся в ладони. Заходят.
Д: проходите, садитесь. Ситуация, честно скажу, просто вопиющая. Я была шокирована, но, думаю, пусть МарьИванна сама все расскажет, а мы с вами подумаем, какие меры мы предпримем.
У: Ваш сын, простите, справил свою нужду в цветок в кабинете ПРЯМО ВО ВРЕМЯ УРОКА! Понимаете!? Класс учеников, сложнейшая тема в четверти, а он идет и демонстративно, простите, писает в цветок! Прямо в горшок! Это просто ужас! За триста тысяч лет моей преподавательской карьеры я ВПЕРВЫЕ встречаюсь с такими, как ОН!
(пауза. Мать смотрит на сына, сын кивает, мол, да, так и было. Всматривается в его глаза и, зная его рассудительность, обращается к учительнице).
М: это действительно вопиющее нарушение всех возможных норм, но могу ли я поинтересоваться, почему он не вышел в туалет?
У: потому что урок в самом разгаре! Сложнейшая тема! Чуть-чуть пропустил и ВСЁ, можно ставить крест!
М: а он спрашивал, может ли он выйти в туалет!
У: да, но я его не отпустила, но это не повод делать то, что он сделал!
Мать включает режим берсерка, прямо как на работе с большими дядями, и вкрадчивым жестким голосом, говорит:
М: я правильно понимаю, что мой сын на Вашем уроке захотел в туалет. Он спросил Вас, может ли он выйти, вы ему отказали. Зная его, могу предположить, что он настаивал, или как минимум совершил еще пару попыток выйти, и Вы поставили его в ситуацию: обоссысь, но слушай? А потом, вы додумались позвонить мне, вызвать сюда, прервать все свои дела и заставили выслушать Вашу претензию, что мой сын не справил нужду в штаны, как Вы того хотели?
Учительница пучит глаза, директор аккуратно произносит:
Д: Просто поговорите с ним, что нельзя справлять нужду в цветочный горшок. вот и все.
Мать переводит взгляд на директора:
М: я думаю, у него хватает мозгов понять это самому. Рада была пообщаться. (На лице появляется доброжелательная улыбка) Спасибо Вам за этот разговор. Надеюсь, мы поняли друг друга.
Мама и друг уходят.
С тех пор в школе учителям было запрещено отказывать в просьбе «можно выйти?»
В защиту учительских прав отмечу, что и в правилах школы появилась новая графа: если ты слоняешься по коридорам без дела во время урока, а не идешь из туалета в класс, или обратно, тебя штрафовали отработкой в спортивном зале (отмывать батареи до блеска от столетней пыли).
И все были счастливы.
Заботливая
И вот, 7 марта, преддверии Женского праздника, мы уже получили официальные поздравления, распустили учеников и находились на стадии подготовки к корпоративу (сдвигаем столы, носимся с закуской и выпивкой). Ловит меня Курочка Ряба в проходе, и происходит между нами следующий диалог:
И на этом посчитала инцидент исчерпанным. Тот факт, что остаток корпоратива Курочка Ряба демонстративно со мной не общалась, меня не напрягал. Ага, щас! После праздников вдруг я обнаружила убийственно холодное отношение со стороны нескольких коллег и реакцию типа: «Какая-то соплячка, без году неделя в школе, человек о тебе заботится, добра желает, обосрала ей праздник и ни стыда ни совести и т.д.» Ещё неделю этот учительский остракизм нарастал, и я уже подумывала завязать со школой, но тут вызывает меня к себе директор:
— tristana77, что у тебя за конфликт с КР? Ещё недавно она заливалась курицей соловьём, что ты прям создана для школы, а после праздников топит, что хуже тебя не сыщешь, урон репутации заведения, и вообще надо от тебя избавляться. Бабы говорят, что ты вообще её на корпоративе матом обложила.
Считаю до двеннадцати.
— Иди, работай дальше, я с ними поговорю.
И поговорила. Неизвестно, что именно она там говорила, но с тех пор травля резко прекратилась, правда Курочка Ряба ещё некоторое время демонстративно дулась на меня аки пятилетний карапуз, которому родители не разрешили кинуть камушком в кошку.
Р. S. А спартакиаду ту отменили из-за гриппа.
Р. Р. S. Года через три знакомой Курочки Рябы срочно понадобилось взять кредит, и КР довольно настойчиво и навязчиво было начала склонять меня выступить поручителем. К тому времени я уже более-менее твёрдо стояла на ногах, так что в довольно резкой форме напомнила ей «плакатный инцидент», объяснив заодно краткий смысл выражения «на чужом горбу да в рай». И послала. Правда без мата.
Но это уже другая история.
Пестики-тычинки
Обычно органы в цветке располагаются так (от периферии к центру): чашелистики — лепестки — тычинки — пестики (пестик часто один). Все эти органы развиваются из зачатков, состоящих из делящихся клеток флоральной меристемы — особой образовательной ткани, из которой развивается цветок. Все органы цветка — это видоизмененные листья, и без дополнительных «команд» флоральная меристема производит листья «по умолчанию».
Что же управляет развитием цветка? Почему обычно снаружи расположены чашелистики, за ними — лепестки, а во внутренней части цветка — тычинки и пестики? Изучая эти вопросы, ученые нашли множество мутантов, у которых развитие цветка нарушено. Особое внимание исследователей привлекают мутации, вызывающие превращение одних органов цветка в другие (например, тычинок — в лепестки).
Задача
Среди мутаций, вызывающих превращение одних органов цветка в другие, были найдены три мутации (назовем их A, B и C) со следующими свойствами (мутация A выключает ген A, мутация B выключает ген B, мутация C — ген C): 1) если выключен ген A, образуются цветки с таким порядком: пестики — тычинки — тычинки — пестики; 2) если выключен ген B, расположение органов такое: чашелистики — чашелистики — пестики — пестики; 3) если выключен ген C, порядок такой: чашелистики — лепестки — лепестки — чашелистики.
Задание 1. Исходя из этих данных, попробуйте придумать модель взаимодействия генов A, B и C.
Задание 2. Какое строение будут иметь цветки у двойных мутантов с выключенными генами A и B? B и C? A и C?
Задание 3. А как будет выглядеть цветок, если инактивированы все три гена — A, B и C?
Подсказка 1
Обратите внимание, что мутации каждого гена затрагивают два соседних круга органов цветка.
Подсказка 2
Придумать модель взаимодействия генов довольно сложно, но ученым это удалось. Так как мутация каждого гена затрагивает два соседних круга органов цветка, то логично предположить, что активность каждого гена захватывает два круга. Продукт гена A образуется там, где закладываются чашелистики и лепестки; продукт гена B — в кругах, где образуются лепестки и тычинки; а продукт гена C — в кругах тычинок и пестиков.
Подсказка 3
Следующим было предположение, что продукты генов A и C (обозначим их A и C) — антагонисты: там, где присутствует A, не образуется C, и наоборот. Если один из них не работает — другой «захватывает» его территорию в цветке.
Решение
На самом деле за идентичность каждого круга органов отвечает не один ген, а несколько, то есть надо говорить не о трех мутациях, а о трех классах мутаций, не о генах А, В и С, а о генах из классов А, В и С.
Модель взаимодействия генов из классов A, B и C получила название АВС-модели, или «войны кругов», см. рис. 1 (подробнее модель описана в Послесловии).
Если не работают гены классов A и B, то продукты генов класса C захватывают всю территорию; во всех кругах цветка образуются пестики (рис. 2, справа вверху). Если не работают гены классов B и C, то цветок состоит из одних чашелистиков (рис. 2, справа, второй сверху).
Логично предположить, что продукты генов класса B отвечают за развитие лепестков (при взаимодействии с продуктами генов класса A) и тычинок (при взаимодействии с продуктами генов класса C). Но к каким последствиям приведет активность генов только одного класса B без взаимодействия с другими генами — понять из условий задачи нельзя. Оказалось, что на месте чашелистиков у таких мутантов развиваются листья, а на месте тычинок и лепестков — органы промежуточного строения (лепестки, тычинки и мозаичные органы, составленные тканями как лепестков, так и тычинок); на месте пестика у таких мутантов закладывается новый цветок (рис. 2, справа, второй снизу). (См. Послесловие.)
У тройных мутантов, по генам всех трех классов A+B+C, все органы цветка по расположению и строению больше всего напоминают листья. У растения резуховидки Таля, на котором в основном изучают генетику развития растений, листья отличаются от чашелистиков тем, что на листьях есть звездчатые волоски, в основании располагаются прилистники, а в пазухе может развиться боковая почка (рис. 2, справа внизу, и рис.3, 3). (У чашелистиков резуховидки Таля волоски простые, прилистников и боковых почек нет, и, кроме того, чашелистики быстро опадают.)
Автор выражает благодарность проф. В. В. Чубу за помощь в написании раздела «Решение».
Послесловие
Явление гомеозиса — превращения одних частей тела в другие — еще в XIX веке привлекало внимание ученых. То, что, например, у насекомого может по какой-то причине развиться конечность вместо антенны, казалось совершенно мистической загадкой. Гомеозис встречается и у животных, и у растений. Часто при гомеозисе друг в друга превращаются гомологичные органы или части тела (например, сегменты у насекомых; чашелистики, лепестки, тычинки и пестики тоже считаются гомологичными органами — все они в ходе эволюции возникли из листьев).
Постепенно завеса тайны над этим явлением начала приподниматься. В 1894 году Уильям Бейтсон, один из основателей генетики, предположил наличие каких-то генов, которые регулируют правильное развитие органов тела. Такие гены были действительно обнаружены и названы гомеозисными.
Систематическими исследованиями работы некоторых из этих генов у дрозофилы начиная с середины XX века занимался американский генетик Эдвард Льюис. Он же в 70-е годы создал красивую и стройную модель того, как эти гены взаимодействуют, определяя идентичность сегментов насекомого (см. книгу «HOX Genes. Studied from the 20th to the 21st Century», стр. 20). А в 1995 году за эти исследования Льюис получил Нобелевскую премию.
Гомеозисные гены кодируют транскрипционные факторы — белки, регулирующие работу других генов. Эти белки включают и выключают другие гены и таким образом меняют судьбу всего организма. И хотя у растений и у животных такие гены возникли в эволюции, скорее всего, независимо, гомеозисные гены растений тоже кодируют транскрипционные факторы.
Но самое поразительное не это. Гомеозисные гены очень консервативны — то есть они практически одинаковы у абсолютно разных животных. Например, под влиянием мышиного гена, отвечающего за развитие глаз, может развиться мушиный глаз на ноге у мухи (см.: Halder G. et al., 1995. Induction of Ectopic Eyes by Targeted Expression of the eyeless Gene in Drosophila). По-моему, это одно из самых удивительных открытий в биологии ХХ века!
Ученые активно исследуют гомеозисные гены уже несколько десятилетий. За это время первоначальная модель их работы, предложенная Эдвардом Льюисом, претерпела столько изменений, дополнений и уточнений, что уже язык не поворачивается назвать ее верной. Современные представления о том, как взаимодействуют эти гены, приведены здесь.
Огромный интерес к работе гомеозисных генов легко можно понять. Во-первых, они регулируют развитие животных и растений — например, определяют, где у мухи вырастут глаза, где — усики, а где — ноги. А то, как благодаря линейной записи нуклеотидов в ДНК появляются на нужном месте глаза и усики, — одна из главных загадок природы и важных научных проблем.
Во-вторых, зная, каким образом работают данные гены, можно регулировать развитие тех или иных органов у животных или растений (например, получать новые сорта махровых цветков) или даже выращивать необходимые органы по отдельности (но это всё-таки пока дело будущего).
В-третьих, нарушения в работе гомеозисных генов иногда приводят к серьезным болезням, и открытие принципов их работы может помочь с этими заболеваниями справиться.
Наконец, гомеозисные гены могут многое рассказать про эволюцию. Сравнив их наборы и функции у разных групп организмов (а гены данного типа есть даже у таких примитивных животных, как губки), мы можем понять, как изменялся общий план их строения и строение отдельных органов. Например, до сих пор остается загадкой, как возник цветок. Можно попробовать поискать у голосеменных гены, регулирующие его развитие у цветковых, или сравнить их у растений с более примитивными и более продвинутыми цветками. В последнее время на эту тему выполнено много исследований; см., например, Yellina A. et al, 2010. Floral homeotic C function genes repress specific B function genes in the carpel whorl of the basal eudicot California poppy (Eschscholzia californica).
Вернемся к нашей задаче. Вы, наверное, уже догадались, что гены A, B и C являются гомеозисными (почти все они входят в семейство так называемых MADS-генов; белковые продукты этих генов тоже связываются с ДНК). Однако истинная картина регуляции развития цветка гораздо сложнее той, что представлена в этой задаче.
Уже к моменту появления ABC-модели (в 1991 году) было известно, что за две из трех функций A, B и C отвечает не один ген, а несколько дополняющих и дублирующих друг друга генов. Так, к группе A-генов относятся у резуховидки гены APETALA 1 и APETALA 2. К группе B относятся APETALA 3 и PISTILLATA. За C-активность отвечает ген AGAMOUS. Было известно, что активность APETALA 1 в кругах пестиков и тычинок подавляется продуктом гена AGAMOUS, а активность AGAMOUS в кругах лепестков и чашелистиков — продуктом гена APETALA 2 (что хорошо согласуется с моделью). Известно было также, что ген AGAMOUS (C) не просто детерминирует пестики, но и ограничивает рост зачатка цветка; поэтому, например, у двойных мутантов по B и C «бесконечное» число одних чашелистиков.
Однако затем выяснилось, что для развития семяпочек (зачатков семян внутри пестика) нужны дополнительные гены, названные D (у резуховидки их как минимум два, их мы дальше рассматривать не будем). Что более существенно — оказалось, что для нормального развития всех органов цветка нужна дополнительная активность генов Е (у резуховидки это 3 гена группы SEPALLATA). Так ABC-модель превратилась в ABCDE-модель (рис. 4, средний и нижний ряд).
Если все три гена группы SEPALLATA отключаются, то цветок состоит из одних чашелистиков. Если заставить оба гена группы B экспрессироваться во всём зачатке цветка, то такой цветок состоит из двух внешних кругов лепестков и двух внутренних кругов тычинок; но при эктопической (не в том месте, где обычно) экспрессии в листьях эти гены не могут превратить лист в лепесток или тычинку. А вот вместе гены SEPALLATA 3 и APETALA 3 превращают вегетативные листья в лепестки, а SEPALLATA 3, APETALA 3 и PISTILLATA — в тычинки!
Раньше полагали, что продукты генов A, B и C могут соединяться попарно, образуя димеры. Но скорее всего, они образуют тетрамеры — «квартеты» (см. рис. 4, нижний ряд). Предполагается (но пока не доказано), что каждый «квартет» может связываться одновременно с двумя разными регуляторными участками ДНК, сближенными за счет изгиба двойной спирали.
Кроме того, выяснилось, что в регуляции развития растений (как и животных!) участвуют не только белки, но и особые микроРНК (см.: Thomas Jack, 2004. Molecular and Genetic Mechanisms of Floral Control); одна из микроРНК подавляет функцию APETALA 2 в кругах тычинок и пестиков.
Похоже, что в молекулярной биологии о простых (и при этом правдоподобных) моделях можно только мечтать. Сыграв свою роль, они уступают место гораздо более «навороченным», но зато более близким к реальности. К сожалению, не помню источника, но кто-то из известных биохимиков шутил: «Если посмотреть на красивую, строго симметричную кривую распределения молекул газа по скоростям — легко поверить в «разумный замысел». Но как только вы начинаете изучать внутриклеточные сигнальные пути — сразу становится очевидно, что ни одно разумное существо не создало бы такой путаницы!»
И в заключение: если задача вас заинтересовала — можно потренироваться, решив более конкретную (но и несколько более сложную) задачу (PDF, 568 Кб) на эту же тему, которая вошла в вариант этого года олимпиады «Ломоносов»; ответы обычно публикуются после завершения олимпиады). Теперь вы вооружены для этого всеми необходимыми знаниями!