regulacja kwitnienia
DESCRIPTION
Regulacja kwitnienia. Rośliny kwiatowe przechodzą fazę wzrostu wegetatywnego (wytwarzanie pędów i liści) i fazę kwitnienia , w trakcie której wytwarzają organy służące do rozmnażania płciowego. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
Regulacja 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 masaniezróżnicowanych komórek na szczycie pędu. Podziały mitotyczne tych komórekwytwarzają komórki, które różnicują w części pędu, liście, wtórne merystemy (zwane też pączkamibocznymi) – 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 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.
12
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 KMADS Domena C
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
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:
1. Jest głównym integratorem sygnałów prowadzących do indukcji kwitnienia.
2. Jest głównym aktywatorem genów ABCE.
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 poszczególne organy kwiatu.
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
U Arabidopsis liczba liści w rozecie jest miarą czasu kwitnienia
Analiza czasu kwitnienia w Arabidopsis, efekt mutacji w genach SWI3
0
10
20
30
40
50
60
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Number of cauline leaves
atswi3c atswi3d wt
0
10
20
30
40
50
60
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Number of secondary inflorescences
atswi3c atswi3d wt
Leaf number at flowering during long day
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
50,0
60,0
9 10 11 12 13 14 15 16
atswi3c atswi3d wt
Leaf number at flowering during short day
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 57 60
atswi3c atswi3d wtA B
C D
% %
%%
Sarnowski et al.,Plant Cell 2005
days leaf NoC-24-25 /9-10D-24-25 /11Wt-20-21 /11
days leaf NoC-65-75 /27D-60-75 /34Wt-58-67 /54
C-3-4D-6-7Wt-8
C-3-4D-6-7Wt-8
atswi3c: early flowering in SD, slightly early flowering in LDatswi3d: 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 związana z przejściem zimowego przechłodzenia.
• Geny FLC, SOC1, FT i LFY pełnią funkcję integratorów sygnałów z różnych szlaków kontroli czasu kwitnienia.
AP1 LFY
• wybór właściwego czasu kwitnienia jest kluczowy dla sukcesu reprodukcyjnego roślin
• ewolucja doprowadziła do powstania wielu ścieżek regulujących czas kwitnienia
Regulacja czasu kwitnieniaPrzykład badań
Czynnikiwewnętrzne
Czynnikizewnętrzne
Ścieżka zależna od GA
ŚcieżkaAutonomiczna
Wernalizacja
Fotoperiod
Kontrola czasu kwitnienia
temperatura
FLC (Flowering Locus C) jest centralnym regulatorem
kwitnienia
FLC
ATG TAG
gen FLC
Struktura genu FLC
mRNA genu FLC jest podwyższony w późno kwitnących ekotypach
Arabidopsis
FLC podlega supresji przez Ścieżkę Autonomiczną
FLC
Ścieżka Autonomiczna
FCA, FY
RBD WWQ QRBD FCAbiałko wiążące RNAZwiązane z obróbką 3` końca transkryptów
FYrejon WD silnie konserwowanyu wszystkich eukariontów
WDWD WDWDPPLP PPLP
WD WDWD
PPLP
FY
pA/cleavage complex
WD40
sygnałypoliadenylacji
RNP
WWFCA
transcripty -FLC ? -FCA
SWI3
model działania kompleksu FCA & FY
czy FLC jest regulowany przez RNAi
FLC
RNAi?
RNAi (RNA interference)
cechą charakterystyczną wszystkich odmian RNAi są małe 21-24nt RNA
RNAi powstało najprawdopodobniej jako mechanizm obrony przeciw wirusom, występuje u wszystkich badanych eukariontów
RNAi został wykorzystany przez komórki do utrzymywania heterochromatyny na cetromerach i obszarach zawierających wielokrotne powtórzenia
odmianą RNAi używaną przez wszystkie znane eukarionty wielokomórkowe jest RNAi z udziałem miRNA
21-24 ntmałe RNA
RISC(RNA induced Silencing Complex)
cięcie mRNA lub inhibicja translacji
RITS(RNA induced Transcriptional Silencing)
tworzenie heterochromatyny:metylacja DNA, metylacja histonu H3 K9
prekursor dsRNA
miRNA siRNA
TGS(Transcriptional Gene Silencing)
PTGS(Post Transcriptional Gene Silencing)
model RNAi
RISC(RNA induced Silencing Complex)
RITS(RNA induced Transcriptional Silencing)
TGS(Transcriptional Gene Silencing)
PTGS(Post Transcriptional Gene Silencing)
regulacja ekspresji genów (30% ludzkich genów)
Integralność centromerów, kontrolowanie transpozonów, regulacja ekspresji genów?
21-24 ntmałe RNA
prekursor dsRNA
model RNAi
RI SC
PTGS TGS
DCL1
AGO1
HEN1
AGO4
DCL3
RI TS
CMT3, DRM2, MET1, DDM1, MBD5, MBD6, HDA6, DRD1, SUVH2, SUVH4, RDR2, NRPD
model RNAi
FLC
RNAi?
czy FLC jest regulowany przez RNAi
nowe małe RNA o sekwencji homologicznej do rejonu 3`FLC
użyta sonda
ATG TAG
liści
e ro
zety
łusz
czyn
ki
liści
e pę
du
pęd
kwia
ty
siew
ki
30nt
20nt
sonda do rejonu3`FLC
EtBR
model RNAi
RISC
PTGS TGS
DCL1
AGO1 AGO4
DCL3
RI TS
CMT3, DRM2, MET1, DDM1, MBD5, MBD6, HDA6, DRD1, SUVH2, SUVH4, RDR2, NRPD
HEN1
model RNAi
RISC
PTGS TGS
DCL1
AGO1 AGO4
DCL3
RI TS
CMT3, DRM2, MET1, DDM1, MBD5, MBD6, HDA6, DRD1, SUVH2, SUVH4, RDR2, NRPD
HEN1
poziom małych RNA z 3`FLC jest obniżony w mutantach ze ścieżki polIV
Ler
Col
-0
dcl 2
dcl 3
sgs2
/rdr
6
nrpd
1a-3
nrpd
1a-2
rdr2
ago4
-1
30nt
20nt
TGS
RISC RITS
Integralność centromerów, kontrolowanie transpozonów, regulacja ekspresji genów?
PTGS
regulacja FLC przez RNAi– pierwszym przykładem regulacji jednokopijnego genu nie związanego z transpozonami przez siRNA
model RNAi
small RNA region
ATG TAG
small RNA region
ATG TAG
orientacjasens
orientacja antysens
3`koniec FLC jest związany z transkrypcją w orientacji sens i antysens
Yamada et al. Science 2003
flc_utr4 flc_utr3
flc_utr5
rejon małych RNA
ATG TAG
mutanty T-DNA w rejonie 3`FLC
Insercja w rejon 3`FLC zaburza negatywną regulację FLC
poziommRNA FLC
utr 3Col-0 utr 4 utr 5
poziommRNA B- tubuliny
0,0
2,0
4,0
6,0
8,0
10,0
12,0
14,0
16,0
18,0
Col-0 utr3.6.33 utr_4.3.8 utr5.2.01
ilość liściw warunkachdługiego dnia
55
60
65
70
75
80
Col dcl2-1 dcl3-1 rdr2-1 sde4-2
sde4-3
ilość
liśc
i w k
rótk
im d
niu
FLC podlega supresji przez mutanty ścieżki RNAi
Struktura chromatyny
Struktura chromatyny
H3 K9 diME
H3 K9 diME
euchromatyna heterochromatyna
przeciwciała specyficzne doH3 di-meK9
amplifikacja PCRwzbogaconych fragmentów
metoda ChIP (Chromatin Immuno
Precipitation)
Jenuwein T
metoda ChIP
ChIPNoAB
ŁUSZ
CZYN
KI
SIEW
KI
ŁUSZ
CZYN
KI
SIEW
KITa3
rejon3`FLC
W łuszczynkach rejon 3`FLC jest związany ze znacznikiem H3 K9 di-
methyl
Wzbogacenie zanaczonych reionów w H3 di-me K9; ChIP nad Input
Wzb
ogac
enie
w st
osun
ku
do k
ontro
li
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
3`FLC1 3`FLC2 UTR At5g10130
znacznik H3 K9 di-methyl jest ograniczony do rejonu 3`FLC
ATG TAG
regulacja FLC
FLC
RNAi
FLC
RNAiWernalizacja
FRI
regulacja FLC
Ścieżka Autonomiczna
FCA, FY
Świeżewski, S., Crevillen, P., Liu, F., Ecker, J.R., Jerzmanowski, A. and Dean, C. (2007) Small RNA-mediated chromatin silencing directed to the 3’ region of the Arabidopsis gene encoding the
developmental regulator, FLC. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104, 3633-3638.