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 meristemadell’infiorescenza è a crescita indeterminata mentre quello fioraleè 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 crescitavegetiva 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 fogliaridurante la crescita vegetativa; la fillotassi non è alterata

SAM indeterminatoOrganogenesiAM inattivo

MI apicale e ascellariattivi e indeterminati

MF prodotti ai lati dei MI : formazione del fiore

Le infiorescenze possono essere determinate o indeterminate(semplici e composte)

ds is ic

cima spiga a racemoInfiorescenza di arabidopsis (indefinita)

Infiorescenza definitaInfiorescenza indefinita

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

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

MADS: MCM1(lievito), AGAMOUS (arabidopsis), DEFICIENS (anthirrinum), SRF (uomo)

5 classi:M, M, M, Me MIKC

GENI MADS box in specie diverse

Anthirrinum

arabidopsispetunia

pomodoro

MADS-boxIn rosso

FMI

ABC

induzione

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 conversioneomeotica sepali in foglie e perdita dei sepali

lfy ap1 transizione fiorale bloccata ; meristemi del’infiorescenza

In Anthirrinum

FLORICAULA (FLO)

SQUAMOSA (SQUA)

LEAFY

AP1

LEAFY (LFY)

La sua espressione precede la transizione fiorale ed è massima nei giovanimeristemi fiorali

Mutanti lfy sviluppano foglie e germogli invece di fiori

LFY è necessario e SUFFICIENTE per conferire identità fiorale ai primordiemergenti: 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 classenota

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 induzioneI 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 CONSTANSMeccanismo non noto forse mediato da SOC1 e/o AGL24

Regolato da FTRidotti 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]

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

APETALA 1 (AP1)

Pattern di espressione dei geni MI

mv mf

Espressione ectopica di LEAFY in mutanti ap1: mantengono le caratteristiche del mutante ap1

Espressione ectopica di AP1 In mutanti lfy: conversione del SAM in meristema fiorale

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

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

Riassumendo…

CAULIFLOWER (CAL)

AP1 e CAL hanno sequenze strettamente correlate e un pattern di espressionesimile; 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

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

FRUITFULL (FUL)

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 formazionedei 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

Pattern di espressione dei geni MI

mv mf

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 nelmeristema 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

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

Il meccanismo di terminazione è determinato dall’interazione WUS / AG

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)

All’inizio dello sviluppo fiorale WUSCHEL attiva la trascrizione di AGAMOUS

AG successivamente reprime la trascrizione di WUS determinando il differenziamento delle ultime cellulemeristematiche

Il meccanismo coinvolge il sistema WUSCHEL/CLAVATA

Terminazione fiorale attraverso il feedback WUSCHEL/AGAMOUS

fase iniziale: WUS e LFY (x)attivano l’espressione di AGNella zona in blu

nella fase di formazione dei carpelli AG (Y) reprimono WUSe 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 tuttoil 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

meristemavegetativo

meristema fiorale

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

In conclusione…………

Una Istone acetiltransferasi, AtGCN5, sembra necessaria per il corretto sviluppo del meristema fiorale e agisce mediante

regolazione del sistema WUS/AG

Evidenza di un meccanismo epigenetico del pathway Wuschel /Agamous

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