Wykł.9_Kwitnienie i jego regulacja_2014

Wybór właściwego czasu

kwitnienia jest kluczowy dla

sukcesu reprodukcyjnego

roślin

Ewolucja doprowadziła

do powstania wielu

ścieżek regulujących

czas kwitnienia

Rośliny kwiatowe przechodzą fazę

wzrostu wegetatywnego

(wytwarzanie pędów i liści) i

fazę kwitnienia

, w trakcie której

wytwarzają organy służące do rozmnażania płciowego

• U roślin jednorocznych faza

wegetatywna zaczyna się w momencie kiełkowania nasion. Następująca po niej faza kwitnienia kończy się

starzeniem się i śmiercią rośliny.

• U roślin dwuletnich, faza wegetatywna

trwa przez pierwszy rok, w drugim roku następuje kwitnienie, które kończy się śmiercią rośliny.

• U roślin wieloletnich, kwitnienie

następuje co rok, przez wiele lat.

Wzrost wegetatywny pędu następuje w merystemie wierzchołkowym. Jest to masa niezróżnicowanych komórek na szczycie pędu. Podziały mitotyczne tych komórek

wytwarzają komórki, które różnicują w części pędu, liście, wtórne merystemy (zwane też pączkami bocznymi) – dają początek rozgałęzieniom pędu.

Kwitnienie jest regulowane przez wiele czynników

Kwitnienie wymaga

przekształcenia merystemu

wierzchołkowego w merystem

kwiatowy

Zależy to od:

•

Czynników wewnętrznych

•

Czynników zewnętrznych

Regulacja przez temperaturę

• Wiele roślin jednorocznych (np.

pszenica ozima) i dwuletnich ma opóźniony czas kwitnienia, jeśli nie przejdzie w trakcie zimy okresu zimowego przechłodzenia. Zmiany powodowane przez ten okres

zimowego przechłodzenia noszą nazwę wernalizacji.

• U wielu drzewiastych roślin

kwiatowych rosnących w klimacie umiarkowanym (jabłonie, bzy), kwitnienie wymaga uprzedniej ekspozycji na niską temperaturę. Drzewa te nie kwitną w klimacie

ciepłym, w którym nie ma wyraźnych zim.

Regulacja przez fotoperiod (stosunek długości dnia do

nocy)

• Fotoperiod jest wykrywany w liściach

(np. roślina X potrzebuje dnia o

długości co najmniej 8,5 godziny, by móc zakwitnąć). Jednak wystarczy, by tylko jeden liść był eksponowany na właściwy fotoperiod, aby kwiaty pojawiały się na całej roślinie.

• Liście produkują sygnał chemiczny -

florigen

do merystemów wierzchołkowych.

• Chemiczna natura florigenu nie jest do

końca wyjaśniona, jednym z jego

składników może być białko kodowane przez gen FT (Flowering locus T).

Budowa kwiatu

• Merystem kwiatowy różnicuje w cztery

koncentryczne okółki (kręgi) komórek, które tworzą następnie cztery części kwiatu.

• Komórki w okółku 1 rozwijają się w

działki kielicha, tworzące najniższy poziom. Łącznie działki tworzą tzw. kielich.

• Okółek 2 daje początek

umieszczonym nad kielichem płatkom,

tworzącym razem koronę kwiatu. Korona kwiatu jest jego najbardziej barwną częścią.

• Okółek 3 rozwija się w pręciki, męskie

organy płciowe.

• Okółek 4 (najbardziej wewnętrzny)

tworzy słupki, narządy płciowe żeńskie. Często zlewają się w pojedynczą strukturę.

1 2

3 4

Model ABC rozwoju kwiatu

• Wyniki analizy genetycznej mutantów Arabidopsis i Petunii, sugerowały, że istnieje grupa genów kodujących czynniki transkrypcyjne (główne włączniki)

niezbędne do włączania genów

warunkujących rozwój działek kielicha, płatków korony, pręcików i słupków.

• Te główne włączniki należą do trzech klas: A, B i C.

• Komórki, w których wyrażane są tylko geny klasy A tworzą działki kielicha.

• Komórki, w których wyrażane są zarówno geny klasy A jak i klasy B, tworzą płatki korony.

• Komórki, w których wyrażane są zarówno geny klasy B jak i klasy C, tworzą pręciki. • Komórki, w których wyrażane są tylko geny

klasy C tworzą słupki.

Geny ABC:

Grupa A: Apetala1 (AP1) Apetala2 (AP2) Grupa B: Apetala3 (AP3)

Pistilata (PI)

Relacje między genami ABC

•

Geny klasy A i C są w stosunku

do siebie represorami. W

nieobecności A, C są aktywne w

całym kwiecie. W nieobecności C,

A są aktywne w całym kwiecie.

Geny klasy E (SEP) uzupełniają geny modelu ABC

•

Geny SEP (SEPALLATA), obok

genów ABC, są niezbędne do

prawidłowego określania

Większość genów ABCE koduje czynniki

transkrypcyjne z domeną MADS

• Domena MADS występuje na N-końcu białka i warunkuje: wiązanie do DNA,

zdolność do dimeryzacji i lokalizację jądrową.

• (tylko białko AP2 nie należy do rodziny białek MADS)

• Arabidopsis zawiera ponad 100 genów kodujących różne białka z domeną MADS.

Domena K

ANIMALS PLANTS

Pattern formation in development

Embryo development Flower development

Master regulatory genes contain Master regulatory genes

homeobox (Hox genes) contain MADS box

Dorsal-ventral specification controlled

by TGF-related proteins (GURKEN), No relatives of GURKEN

receptor tyrosine kinases, Ras No receptor tyrosine kinases

activation, transcription factors No Ras proteins

of kappa B, Rel, basic HLH families No kappa B or Rel –type TFs Weak similarity of the bHLH domain

Cell-cell signaling

Critical role of receptor tyrosine kinases, Critical role of serine/threonine

Ras activation kinases of the type not found in animals

Chromatin

Histones, histone modifying proteins, Swi/Snf-type ATPases, Trx proteins, Polycomb proteins, HP1-type proteins.

Enahncer of zeste (Polycomb-type CURLY LEAF (Polycomb type) maintains repression of maintains repression of the MADS

the Hox genes (Ultrabithorax) genes (AGAMOUS)

Niezależna ewolucja genetycznych narzędzi kontroli

rozwoju u zwierząt i roślin

Centralna rola genu LFY (LEAFY)

•

Ortologi LFY występują u wszystkich gatunków roślin (także nie

kwiatowych).

•

Aktywność LFY jest konieczna i wystarczająca do determinacji

merystemu kwiatowego.

•

Niezależnie od determinacji typu merystemu, LFY pełni dwie kluczowe

funkcje w rozwoju kwiatu:

1.

Jest głównym integratorem sygnałów prowadzących do indukcji

kwitnienia.

Cztery fazy rozwoju kwiatu

1.

W odpowiedzi na sygnały ze środowiska i sygnały wewnętrzne roślina

przestawia się z wzrostu wegetatywnego na wzrost reprodukcyjny – ten

proces kontrolują

geny regulujące czas kwitnienia

(flowering time

genes).

2.

Sygnały z różnych ścieżek wpływających na czas kwitnienia są

integrowane, co prowadzi do aktywacji niewielkiej grupy

genów

tożsamości merystemu

(meristem identity genes), które warunkują

powstanie kwiatu (Geny TFL1, LFY, AP1).

3.

Geny tożsamości merystemu aktywują

geny tożsamości organów

kwiatowych (Geny ABCE).

4.

Geny tożsamości organów aktywują zależne od nich

geny „budujące

organy”,

które determinują różne typy komórek, z których składają się

Genetyczna kontrola czasu kwitnienia

Geny kontrolujące czas kwitnienia działają w czterech ścieżkach indukcji:

A. Zależnej od fotoperiodu (rytm dobowy, długi dzień);

B. Zależnej od giberelin (GA); C. Autonomicznej; D. Wernalizacyjnej

A

B

C

D

Analiza czasu kwitnienia w Arabidopsis, efekt mutacji w genach SWI3

A

B

C

D

Sarnowski et al.,Plant Cell 2005

days leaf No C-24-25 /9-10 D-24-25 /11 Wt-20-21 /11 days leaf No C-65-75 /27 D-60-75 /34 Wt-58-67 /54 C-3-4 D-6-7 Wt-8 C-3-4 D-6-7 Wt-8

atswi3c: early flowering in SD, slightly early flowering in LD atswi3d: early flowering in SD

Kontrola czasu kwitnienia – fotoperiod (long day pathway)

• Wiele genów indukujących kwitnienie w długim dniu koduje białka zaangażowane w percepcję światła (PHYTOCHROME A,

CRYPTOCHROM2) lub składniki regulujące

zegar okołodobowy (GIGANTEA, ELF3). • Geny te ostatecznie aktywują gen CO

(CONSTANS) (mutany co są późnokwitnące, nadekspresja CO powoduje wczesne

kwitnienie).

• CO koduje białko jądrowe zawierające dwie domeny palców cynkowych.

Kontrola czasu kwitnienia – gibereliny

• Mutanty z defektem w biosyntezie giberelin (np.

ga1) są bardzo późno kwitnące w krótkim dniu,

ale nie w długim, co wskazuje, że szlak GA ma kluczowe znaczenie w indukcji kwitnienia w sytuacji braku sygnału indukującego długiego dnia (fotoperiodycznego)

Kontrola czasu kwitnienia – szlak autonomiczny

i szlak wernalizacyjny

• Geny szlaku autonomicznego kontrolują kwitnienie niezależne od długiego dnia

(Arabidopsis jest normalnie rośliną kwitnącą w długim dniu, ale po dłuższym okresie zakwita także w krótkim dniu). Kwitniecie w krótkim dniu jest indukowane przez geny szlaku autonomicznego.

• Geny szlaku wernalizacyjnego są związane z indukcją kwitnienia zależną od przejścia zimowego przechłodzenia.

• Geny FLC, SOC1, FT i LFY pełnią funkcję integratorów sygnałów z różnych szlaków kontroli czasu kwitnienia.

Ekspresja okołodobowa głównych elementów ścieżki związanej z fotoperiodem (długością dnia)

a. GI i CDF1 są kontrolowanymi przez zegar okołodobowy odpowiednio, pozytywnymi i negatywnymi regulatorami CO. FKF1 jest niezbędny do degradacji CDF1 w środku dnia, co bezpośrednio umożliwia wzrost ilości mRNA CO.

b. Profil ekspresji CO w krótkim i długim dniu jest inny. Dwu-fazowa krzywa występuje tylko w długim dniu.

c. Akumulacja białka CO silnie zależy od koincydencji światła i ekspresji mRNA. CO jest degradowane w ścieżce proteasomowej, ale w sposób zależny od receptorów światła i białek SPA.

d. Wytwarzanie mRNA FT jest bezpośrednim rezultatem akumulacji białka CO.

Sieć regulatorowa kontrolująca ekspresje mRNA genu CO I stabilność białka CO

Symbol zegara oznacza, że transkrypcja genu jest regulowana przez zegar okołodobowy

Zygzakowana strzałka oznacza, że białka jest fotoreceptorem

Regulacja transkrypcyjna

Regulacja

potranskrypcyjna Akumulacja białka CO

Koincydencja akumulacji mRNA CO i światła i pod koniec długiego dnia stabilizuje białko CO. Białko CO umożliwia następnie transkrypcję FT i TSF (Twin Sister of FT, bardzo podobne białko) w komórkach towarzyszących rurkom sitowym (floem), w odległej części liścia. Białko FT i prawdopodobnie TSF są ładowane do

elementów sitowych poprzez dyfuzje przez plazmodesmy albo inny niezidentyfikowany mechanizm aktywnego transportu.

Następuje długodystansowy transport FT poprzez floem wraz innymi metabolitami transportowanymi z liścia do tkaenk docelowych

W wyniku transportu FT i TSF akumulują się w merystemie wierzchołkowym pędu (SAM), gdzie prawdopodobnie wytwarzają gradient

FT i czynnik transkrypcyjny bZIP FD oddziałują i aktywują transkrypcję AP, który

rozpoczyna przekształcenie w merystem kwiatowy i hamuje ekspresję SOC1 (Suppressor of overexpresion of CO).

Białko FT stanowi sygnał systemiczny

TSF – Twin sister of FT

Dynamika ekspresji genów w merystemie wierzchołkowym pędu (SAM) w trakcie przejścia do fazy kwitnienia

Wegetatywny

Kwiatowy Indukcja

Czerwony – mRNA Niebieski - białko

SWI/SNF and control of flowering time

BRM

Kompleks SWI/SNF pośredniczy w sygnalizacji uruchamianej przez gibereliny