Regulacja kwitnienia

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. Stan uśpienia pąków jest zlokalizowany.

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, który jest transportowany 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). Florigen może się przemieszczać poprzez system naczyniowy

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) Grupa C: Agamous (AG)

Efekty mutacji w genach ABC

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. Efekty mutacji w AP1

Geny klasy E (SEP) uzupełniają geny modelu ABC Geny SEP (SEPALLATA), obok genów ABC, są niezbędne do prawidłowego określania tożsamości organów kwiatowych

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 MADS Domena C

Niezależna ewolucja genetycznych narzędzi kontroli rozwoju u zwierząt i roślin Meyerowitz, EM. Science (2002)

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: Jest głównym integratorem sygnałów prowadzących do indukcji kwitnienia. Jest głównym aktywatorem genów ABCE.

Cztery fazy rozwoju kwiatu 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). 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). Geny tożsamości merystemu aktywują geny tożsamości organów kwiatowych (Geny ABCE). Geny tożsamości organów aktywują zależne od nich geny „budujące organy”, które determinują różne typy komórek, z których składają się poszczególne organy kwiatu.

Genetyczna kontrola czasu kwitnienia Geny kontrolujące czas kwitnienia działają w czterech ścieżkach indukcji: Zależnej od fotoperiodu (rytm dobowy, długi dzień); B. Zależnej od giberelin (GA); C. Autonomicznej; D. Wernalizacyjnej A D C B

U Arabidopsis liczba liści w rozecie jest miarą czasu kwitnienia In Arabidopsis vegetative phase of development - rosette, generative phase -stem with flowers and seeds FLC is a repressor of transition to flowering. FLC is up-regulated in late flowering mutants - efficiently repressing transition to flowering

Analiza czasu kwitnienia w Arabidopsis, efekt mutacji w genach SWI3 % days leaf No C-65-75 /27 D-60-75 /34 Wt-58-67 /54 days leaf No C-24-25 /9-10 D-24-25 /11 Wt-20-21 /11 C-3-4 D-6-7 Wt-8 C-3-4 D-6-7 Wt-8 Sarnowski et al.,Plant Cell 2005 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. AP1 LFY

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) AP1 LFY

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. AP1 LFY

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 Regulacja transkrypcyjna Symbol zegara oznacza, że transkrypcja genu jest regulowana przez zegar okołodobowy Zygzakowana strzałka oznacza, że białka jest fotoreceptorem Regulacja potranskrypcyjna Akumulacja białka CO powoduje aktywację genu FT

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 SOC1 – Suppresor of overexpresion of CO

Dynamika ekspresji genów w merystemie wierzchołkowym pędu (SAM) w trakcie przejścia do fazy kwitnienia Indukcja Wegetatywny Kwiatowy Czerwony – mRNA Niebieski - białko

SWI/SNF and control of flowering time SWI3C SWI3B BSH BRM AP1 LFY Kompleks SWI/SNF pośredniczy w sygnalizacji uruchamianej przez gibereliny