GENI DI IDENTITA’ MERISTEMATICA
FIORE: complesso apparato di strutture
funzionalmente specializzate e
radicalmente diverse dall’organismo
vegetativo sia nella forma che nei tipi
cellulari
La transizione verso la fioritura implica cambiamenti radicali nel destino
delle cellule dei meristemi apicali
Alterazione del destino delle cellule meristematiche: cambiamento di fase
L’insieme degli eventi che portano l’apice del germoglio a produrre fiori si
indica come
INDUZIONE FIORALE
In Arabidopsis a seguito della INDUZIONE FIORALE
Il meristema vegetativo passa dalla produzione ai suoi lati di foglie e
primordi ascellari alla produzione di un numero indeterminato di
PRIMORDI FIORALI
Questo MERISTEMA APICALE si chiama
MERISTEMA DELL’INFIORESCENZA
Il MERISTEMA FIORALE si differenzia da un gruppo di cellule
che si trovano ai lati del meristema dell’infiorescenza
Il programma di sviluppo è diverso in quanto il meristema
dell’infiorescenza è a crescita indeterminata mentre quello fiorale
è a crescita DETERMINATA
SAM è convertito in meristema
dell’infiorescenza in risposta ad
uno stimolo fiorale
Il meristema dell’infiorescenza è
uno stato transitorio dalla crescita
vegetiva a quella riproduttiva
Il meristema dell’infiorescenza
genera il MERISTEMA FIORALE
SAM
MI
MERISTEMA DELL’ INFIORESCENZA E MERISTEMA FIORALE
I primordi fiorali si originano nella stessa posizione nella quale si formano i primordi fogliari
durante la crescita vegetativa; la fillotassi non è alterata
SAM indeterminato
Organogenesi
AM inattivo
MI apicale e ascellari
attivi e indeterminati
MF prodotti ai lati dei
MI : formazione del fiore
ds
cima
is
spiga a racemo
ic
Infiorescenza di arabidopsis (indefinita)
Le infiorescenze possono essere determinate o indeterminate
(semplici e composte)
Infiorescenza indefinita
Infiorescenza definita
microscopio confocale
La transizione è promossa da una classe di geni noti come
GENI DI IDENTITA’ MERISTEMATICA (FMI)
In Arabidopsis
LEAFY (LFY)
APETALA1 (AP1)
CAULIFLOWER (CAL)
MADS box
FRUITFULL (FUL)
TERMINAL FLOWER1 (TFL1)
AGAMOUS (AG)
APETALA 2 (AP2)
sono anche geni omeotici
MADS: MCM1(lievito), AGAMOUS
(arabidopsis),
DEFICIENS (anthirrinum), SRF (uomo)
In Arabidopsis oltre 100 geni MADS BOX
Animali o funghi ne possiedono un numero molto minore (Drosophila 2)
Nelle piante molti coinvolti nello sviluppo del fiore
APETALA1, APETALA3, PISTILLATA, AGAMOUS, SEPALLATA1, SEPALLATA2,
SEPALLATA3
5 classi:Ma, Mb, Mg, Md e MIKC
GENI MADS box in specie diverse
Anthirrinum
petunia
pomodoro
arabidopsis
MADS-box
In rosso
induzione
ABC
FMI
FMI
Identificati dalla scoperta di mutanti loss of function in cui i fiori
sono rimpiazzati da strutture intermedie tra germoglio
vegetativo e fiorale
MUTAZIONI lfy, ap1, cal compromettono la capacità del meristema vegetativo
di svilupparsi in meristema fiorale
Mutante lfy: foglie al posto degli organi fiorali, con disposizione spiralata
ap1
lfy ap1
ap1: fiori secondari all’ascella degli organi del I verticillo; fiori con conversione
omeotica sepali in foglie e perdita dei sepali
lfy ap1 transizione fiorale bloccata ; meristemi del’infiorescenza
In Anthirrinum
FLORICAULA (FLO)
LEAFY
SQUAMOSA (SQUA)
AP1
LEAFY (LFY)
La sua espressione precede la transizione fiorale ed è massima nei giovani
meristemi fiorali
Mutanti lfy sviluppano foglie e germogli invece di fiori
LFY è necessario e SUFFICIENTE per conferire identità fiorale ai primordi
emergenti: l’ espressione ectopica e costitutiva determina la trasformazione
precoce di foglie e gemme ascellari in FIORI
Non è un gene MADS-box ; fattore di trascrizione non omologo a nessuna classe
nota
LEAFY è il principale interruttore tra i geni di identità
meristematica: interrompe la crescita vegetativa e accelera
la transizione alla fase riproduttiva
La sua espressione precede quella degli altri geni
È espresso ai lati del meristema dell’infiorescenza, dove si svilupperanno i
meristemi fiorali prima di ogni diversificazione morfologica
LFY si lega a elementi cis nel promotore di AP1 e AGAMOUS
(CCANTGG)
AP1 e AGAMOUS sono geni omeotici: responsabili della
formazione degli organi del fiore
LEAFY
è all’incrocio dei diversi pathways di induzione
I livelli di espressione di LEAFY correlano con la forza di diversi
segnali che inducono la fioritura
Regolato da GAs
Elemento di risposta a GA nel promotore
Si lega AtMYB33 i cui livelli aumentano nell’apice durante la
transizione fiorale
Regolato da CONSTANS
Meccanismo non noto forse mediato da SOC1 e/o AGL24
Regolato da FT
Ridotti livelli di LFY in mutanti ft
SOC1 translocated to nucleus by interaction with AGL24 directly
regulates LEAFY.
Lee J, Oh M, Park H, Lee I.
National Research Laboratory of Plant Developmental Genetics, Department of
Biological Sciences, Seoul National University, Seoul, 151-742, Korea.
Thus, we propose that the heterodimerization of SOC1 and
AGL24 is a key mechanism in activating LFY expression.
Plant J. 2008 May 9 [Epub ahead of print]
APETALA 1 (AP1)
LEAFY comincia ad essere espresso a livello del meristema della infiorescenza
nei siti in cui emergono i meristemi fiorali (MF) ma prima della loro comparsa
Successivamente, quando cominciano a formarsi i MF viene espresso AP1 con
un profilo spaziale sovrapponibile a LEAFY
Dal doppio mutante lfy ap1, a transizione fiorale bloccata: RIDONDANZA
mv
mf
Pattern di espressione dei geni MI
Espressione ectopica di AP1 In mutanti lfy: conversione del SAM in
meristema fiorale
Espressione ectopica di LEAFY in mutanti ap1: mantengono le
caratteristiche del mutante ap1
AP1 agisce a valle di LEAFY
i principali regolatori di AP1 sono:
LEAFY: regolazione diretta
dimostrato il binding in vitro di LFY a sequenze regolative di AP1 e CAL
mediante immunoprecipitazione della cromatina
FT: mutanti lfy esprimono AP1, doppi mutanti lfy ft
non esprimono AP1
Riassumendo…
LEAFY e AP1 svolgono un ruolo primario nell’iniziare il programma di
sviluppo fiorale
Mutazioni loss of function in ciascuno dei due provocano conversione omeotica
fiorale/vegetativa
Mutazioni in entrambi i geni non consentono l’attuazione del programma fiorale
Entrambi codificano fattori di trascrizione fortemente espressi nei primordi fiorali
CAULIFLOWER (CAL)
AP1 e CAL hanno sequenze strettamente correlate e un pattern di espressione
simile; all’inizio espressione in tutto il meristema, poi solo nel I e II verticillo del
fiore
AP1 e CAL mostrano RIDONDANZA nella specificazione della identità fiorale
del meristema
Fenotipo molto più evidente in doppi mutanti
ap1 cal : meristema dell’ infiorescenza a crescita indeterminata
(strutture simili a cime di cavolfiore)
Il gene CAULIFLOWER del cavolfiore coltivato ha un codone di
stop che inattiva il prodotto genico
Ciò previene la transizione dell’infiorescenza a meristema
fiorale generando la ripetizione di meristemi dell’infiorescenza
FRUITFULL (FUL)
FUL: correlato strutturalmente a AP1 e CAL
Up-regolato nel MI ma escluso inizialmente dal MF
FUL primo gene espresso nel MI dopo la transizione fiorale
Mutante ful non mostra alterazioni nel MI
Tripli mutanti ap1 cal ful assomigliano ai doppi mutanti ap1 cal ma con tratti
vegetativi più marcati
RIDONDANZA con AP1 e CAL
In mutanti ap1, FUL è espresso anche nel MF : AP1 reprime l’espressione di
FUL nel MF
APETALA 2 (AP2)
Mutanti ap2 solo difetti omeotici: sepali e petali
Ma ap1 ap2 e lfy ap2 fenotipo più severo dei singoli mutanti
Anche AP2 contribuisce alla specificazione dei meristemi fiorali
TERMINAL FLOWER 1 (TFL 1)
Gene di identità del meristema dell’infiorescenza
Arabidopsis: a infiorescenza indeterminata
Il meristema dell’infiorescenza rimane sempre nella zona apicale
I meristemi fiorali si sviluppano lateralmente
non si forma un fiore terminale
I mutanti tfl formano un fiore terminale
Nei mutanti tfl AP1, CAL e LFY sono espressi ectopicamente nel MI
TERMINAL FLOWER 1 (TLF1)
Il fenotipo dei mutanti tfl1 indica che ha funzioni opposte a LFY, AP1/CAl
Previene la trasformazione in meristema fiorale del meristema
dell’infiorescenza
Mutanti loss of function tfl1 formano precocemente fiori terminali
L’espressione costitutiva di TFL1 (35S::TLF1) ritarda la formazione
dei fiori
LFY, AP1, CAL specificano l’identità di MF
TFL1 specifica l’identità di MI
Pattern di espressione di TFL1 in accordo con la funzione di regolatore
negativo di LFY, AP1, CAL
Espresso nel centro del meristema ed escluso dai primordi
AP1 CAL e LFY sopprimono l’espressione di TFL1 nel meristema fiorale
mv
mf
Pattern di espressione dei geni MI
TFL1 strutturalmente è un omologo di FLOWERING LOCUS T (FT)
ma la funzione è opposta
FT e TFL1 sono omologhi alle PEBP ( phoshatidyethanolamine binding
proteins)
che negli eucarioti regolano il signaling in processi di crescita e
sviluppo
La raf-kinase inhibitor protein è una PEBP
TFL1 59% di identità con FT; la sostituzione di un singolo aa: FT (Y85H); TFL
(H88Y) è sufficiente ad invertire le funzioni tra i due geni
Modello interazione TFL1 FT con target
TRANSIZIONE FIORALE
Una volta avviata la transizione è irreversibile
Ciò è assicurato da interazioni cooperative tra i geni di identità meristematica
LFY induce AP1 e CAL
CAL e AP1 regolano positivamente LFY
LFY, AP1 e CAL regolano negativamente TFL1 (e AGL24)
In questo modo AP1 e CAL mantengono elevati i livelli di espressione di LFY
una volta indotto
Le interazioni antagonistiche tra TFL1 e geni FMI fanno si che TFL1 non sia
espresso nel meristema fiorale e LFY, AP1e CAL non siano espressi nel
meristema dell’infiorescenza
LEAFY è espresso precocemente nel meristema dell’infiorescenza
e dà inizio al programma differenziativo
LEAFY promuove l’espressione di AP1/CAL nei primordi fiorali
(prodotto genico di LFY si lega al promotore del gene AP1)
LEAFY AP1/CAL promuovono reciprocamente la loro espressione
COOPERATIVITA’: assicura che tutti i geni necessari per la
transizione siano presenti ad elevati livelli nello stesso momento
ATTIVAZIONE DEI GENI OMEOTICI (ABC)
dati principalmente per LEAFY
richiesto per la formazione di petali e stami
INDUCE AP1
INDUCE AP3
(LFY si lega al promotore di AP3)
Partecipa all’induzione di AG (WUSCHEL)
INDUCE i geni SEP (forse)
AP1 (CAL )
Richiesto per lo sviluppo di sepali e petali e indirettamente per lo sviluppo
di stami e carpelli poiché attiva l’espressione di AGAMOUS (AG)
TERMINAZIONE
Il meristema fiorale è a crescita determinata
Una volta completato il differenziamento del fiore
il meristema cessa di accrescersi
AGAMOUS è l’interruttore per il segnale di terminazione
Il segnale coinvolge la funzione di WUSCHEL
Il meccanismo di terminazione è
determinato dall’interazione WUS / AG
Nel mutante ag-3 gli stami sono sostituiti da carpelli e i carpelli da una reiterazione
della sequenza sepali petali. Indica la presenza di un meristema a crescita
Indeterminata al centro del fiore .
Nel mutante wus-1 la situazione è opposta. Si ha terminazione prematura della
attività del meristema e sviluppo incompleto del fiore
AG antagonizza la funzione di WUSCHEL
di mantenimento del meristema fiorale
Wuschel è richiesto per il mantenimento
di tutti i meristemi
È inizialmente espresso nel MF ma i livelli calano quando è
attivato AG e scompare quando si formano i primordi dei carpelli
L’espressione ectopica di WUS porta alla formazione
di stami e carpelli ectopici in maniera AG dipendente.
WUSCHEL attiva l’espressione di AG
Perché l’attivazione di AG da parte di WUS avviene solo
in FM e non in SAM?
È richiesto un fattore aggiuntivo
LEAFY
gene di identità del meristema fiorale (FM), non presente nel
meristema vegetativo (SAM)
Il meccanismo coinvolge il sistema
WUSCHEL/CLAVATA
All’inizio dello sviluppo fiorale
WUSCHEL attiva la trascrizione di
AGAMOUS
AG successivamente reprime la
trascrizione di WUS determinando il
differenziamento delle ultime cellule
meristematiche
Terminazione fiorale attraverso il feedback WUSCHEL/AGAMOUS
fase iniziale: WUS e LFY (x)
attivano l’espressione di AG
Nella zona in blu
nella fase di formazione dei
carpelli AG (Y) reprimono WUS
e si ha la terminazione del meristema
DIMOSTRATO che WUSCHEL e LEAFY si legano a sequenze
enhancer distinte sul secondo introne di AGAMOUS
Come fa il meccanismo regolativo ad agire al momento giusto?
Cioè quando è stato completato il differenziamento
dell’ultimo verticillo?
I LIVELLI DI ESPRESSIONE di AG aumentano durante tutto
il differenziammento
forse necessario un valore di soglia di AG per l’inibizione dell’espressione
di WUS , che si raggiunge solo dopo il differenziamento dei carpelli
Oppure altro fattore regolativo necessario (Y) che compare negli stadi finali
meristema
vegetativo
meristema
fiorale
In conclusione…………
La formazione del fiore richiede l’esecuzione di diversi
programmi di sviluppo:
Specificazione della posizione del nuovo fiore
Formazione del pattern del primordio (simmetria, polarità)
Controllo della divisione cellulare per dimensioni e numero dei fiori
Formazione degli organi del fiore
Esecuzione di pathways di sviluppo paralleli ed in parte
sovrapposti
Rete di interazioni molecolari molto complessa
Evidenza di un meccanismo epigenetico del pathway Wuschel /Agamous
Una Istone acetiltransferasi, AtGCN5, sembra necessaria
per il corretto sviluppo del meristema fiorale e agisce mediante
regolazione del sistema WUS/AG
Una mutazione per inserzione di T-DNA nel “bromodomain” del gene
AtGCN5 induce la conversione delle infiorescenze in fiori terminali
e trasformazioni omeotiche degli organi fiorali
I fenotipi correlano con la UP-regolazione della espressione
di WUS e AG nel meristema fiorale con l’estensione dei
domini di espressione di questi geni e con l’espressione ectopica
di AG nel MF
AtGCN5 controlla il pathway di espressione WUS-AG
AtGCN5 è omologo alla ACETILTRANSFERASI di lievito Gcn5
Gcn5 è una Istone Acetiltransferasi (HAT) che contiene il
“BROMODOMAIN” (con il quale si associa a lisine acetilate)
HATs e deacetilasi sono in grado di determinare rimodellamenti della
cromatina che possono attivare o reprimere la trascrizione genica
Le istone acetiltransferasi generalmente sono richieste per l’attivazione dei geni
Tuttavia è documentato che GCN5 funziona anche come repressore
AtGCN5 funzionerebbe come modulatore negativo della espressione
di WUS/AG