Моделирование развития цветка

УДК 004 (06) Информационные технологии
В.А. РЕКУБРАТСКИЙ, А.Е. КОРОТКОВ
Научный руководитель – М.А. КОРОТКОВА, к.т.н., доцент
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗВИТИЯ ЦВЕТКА
Рассматривается разработка системы моделирования работы генов в процессе развития растения, описываются ее
возможности и приводятся результаты внедрения полученной системы.
Целью настоящего исследования являлась разработка системы моделирования работы генов и развития
растения на примере цветка Arabidopsis Thaliana. Подобная модель востребована, прежде всего, в генетике,
где любые эксперименты с живыми растениями по модификации отдельных их генов требуют привлечения
значительных материальных ресурсов и временных затрат, которые позволяет в значительной мере
сэкономить компьютерная модель.
Моделирование развития растения основывается на взаимодействии генов, составляющих генную сеть.
Результаты работы сети определяют все наиболее важные параметры развития: рост растения и отдельных
его органов, момент начала цветения, определение местоположений листьев на стебле и органов в цветке,
типы органов цветка, плодородность растения. На работу генов влияют следующие 2 группы факторов:
1) внешние – это состояние окружающей среды: температура воздуха, освещенность, спектральный
состав света, уровень питательных веществ в почве;
2) внутренние – это мутации самих генов: сильная мутация приводит к потере геном своих функций и
исключению его из работы генной сети.
Для создания генной сети была за основу взята сеть, предложенная в работе [1]. Эта сеть была дополнена
и скорректирована с учетом результатов других работ и исследований [3-5]. Инструментом реализации
генной сети выбраны сети Петри, описание которых приводится, например, в работе [2].
Наиболее сложным моментом является определение типа органов цветка по результатам работы генной
сети. С этой целью были проанализированы 2 модели определения органов цветка: ABCDE-модель и LABCмодель, предложенные соответственно в работах [3,4] и [5]. На основании проведенного анализа была
составлена интегральная LABCDE-модель, обобщающая принципы обеих вышеупомянутых. Согласно ей,
выделяются 6 классов генов, сочетание активностей которых приводит к образованию одного из 5 типов
органов: за образование чашелистиков отвечают гены класса A, за образование лепестков – гены классов A,
B и E, тычинок – гены классов B, C и E, пестиков – гены классов C и E, листов – гены класса L. Гены класса
D отвечают за созревание семязачатков и, таким образом, определяют плодородность растения.
Для удобства определения типов органов цветка предлагается следующее решение. Разработанная схема
генной сети для удобства разделяется на две: схему общей генной сети и схему генной сети цветка. По
общей генной сети определяется процесс роста растения и момент начала цветения. Далее в цветке
выделяется 4 зоны, в каждой из которых образуются органы одинакового типа. Каждой из зон ставится в
соответствие генная сеть, имеющая вышеупомянутую схему генной сети цветка, но отличающуюся от
остальных аналогичных сетей начальными условиями функционирования. Таким образом, работа каждой из
4-х сетей приводит к активности генов разных классов, и в каждой из зон развиваются органы разных типов.
Мутации могут по-разному влиять на работу отдельных сетей, приводя к формированию других, нежели в
нормальном растении, типов органов.
Моделирование может проводиться как в автоматическом, так и пошаговом режиме. Результаты
моделирования представляются динамически в графическом виде: строится трехмерный макет полученного
растения и двухмерная схема цветка как наиболее важной части растения. Трехмерный макет можно
вращать в процессе моделирования.
Также выдается информация о плодородности растения. С целью облегчения процесса проведения
исследований предусмотрена возможность протоколирования результатов работы модели.
Система включена в программный комплекс «Системная биология», разработанный по заказу
Министерства Науки РФ. К настоящему моменту данный комплекс прошел приемочные испытания.
Список литературы
1.
2.
3.
4.
5.
Blazquez M.A. Flower development pathways. J. Cell Sci. 113: 3547-3548, 2001.
Ю.А. Семенов. Сети Петри.
Angenent G.C., Colombo L. Molecular control of ovule development // Trends Plant Sci 1: 228-232, 1996.
Honma T., Goto K.. Complexes of MADS-box proteins are sufficient to convert leaves into floral organs // Nature, 409:525-529, 2001.
Новая модифицированная схема генетического контроля развития цветка / С.В. Шестаков, А.А. Пеннин, М.Д. Логачева, Т.А.
Ежова. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2005.
_______________________________________________________________________
ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 16
1