58
LO SVILUPPO DEL FIORE

LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

LO SVILUPPO DEL FIORE

Page 2: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Struttura schematica di un fiore (ermafrodita)

Page 3: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Fiore staminifero

Fiore pistillifero

Page 4: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

FIORE: complesso apparato di strutture funzionalmente specializzate eradicalmente diverse dall’organismo vegetativo sia nella forma che nei tipicellulari

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

Page 5: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

INDUZIONE FIORALE

Page 6: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

MERISTEMI FIORALI: distinguibili dai vegetativi perché di dimensioni maggiori

Transizione allo stadio riproduttivo segnata da un aumento delle divisioni cellularinella zona centrale del SAM.

AUMENTO DEL TASSO DI DIVISIONE DELLE CELLULE CENTRALI

Page 7: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Sezione longitudinale della regione apicale di un germoglio vegetativo edi un germoglio riproduttivo di Arabidopsis

mgpf gf

mi mf

Page 8: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Il meristema fiorale determina la formazione di quattro organiorganizzati in cerchi concentrici

verticilli

La formazione degli organi più interni (carpelli) esaurisce le cellule meristematiche nellazona apicale e rimangono solo i primordi degli organi fiorali

In Arabidopsis dall’esterno:

Quattro sepali (verdi)

Quattro petali (bianchi)

Sei stami (quattro più lunghi)

Un pistillo (composto da due carpelli fusi a formare l’ovario; lo stilo e lo stigma)

Page 9: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Organi fiorali formati in sequenza dal meristema fiorale di Arabidopsis

Page 10: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Il fiore di arabidopsis (attinomorfo: simmetria raggiata)

Page 11: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Pistillo di Arabidopsis

Page 12: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Simmetria raggiata

Simmetria bilaterale

Page 13: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Il fiore di Anthirrinum (zigomorfo: simmetria bilaterale)

Doppio mutante cycloidea/dichotoma

Page 14: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Fiore del riso: perianzio ridotto

Page 15: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Studi condotti principalmente su Arabidopsis e Anthirrinum (bocca di leone)

Identificazione di una rete di geni che controlla lamorfogenesi del fiore

Page 16: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Identificate tre classi di geni che controllano lo sviluppo del fiore

Geni che determinano l’identità degli organi fiorali (fattori di trascrizione che controllano l’espressione di geni di differenziamento)

Geni Catastali (regolatori spaziali della espressione dei geni di identità degli organi)

Geni di identità meristematica (fattori di trascrizione necessari per l’induzione dei geni di identità degli organi fiorali)

Page 17: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Lo studio di MUTANTI FIORALI OMEOTICI

ha portato alla scoperta dei geni che controllano

l’identità degli organi fiorali

Page 18: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

I geni che determinano l’identità degli organi fiorali sono definiti OMEOTICI funzionalmente,in quanto mutazioni di questi geni comportano la formazione di un organo al posto di un altro(es: carpelli al posto di sepali).

Tuttavia sono strutturalmente diversi dai geni omeotici in quanto non contengono il motivo HOMEOBOX ma appartengono alla classe di fattori MADS box

MADS box è un motivo DNA binding conservato di 56 aaInoltre è presente un motivo K box di interazioneProteina-proteina

Page 19: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

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

Page 20: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

GENI MADS box in specie diverse

Anthirrinum

arabidopsispetunia

pomodoro

Page 21: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Negli anni 90

E. Meyerowitz, E. Coen et al.

proposero il modello ABC per l’identità degli organi fiorali

MODELLO ABC

Basato sullo studio dei mutanti fiorali omeotici di arabidopsis e anthirrinum

modello semplice e applicabile a molte angiosperme

ancora oggi valido con integrazioni

Page 22: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

wt apetala2-2 pistillata2 agamous1

Page 23: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Il modello ABC postula che l’identità d’organo nel fiore è controllata dalla combinazione di tre funzioni geniche A B C nei verticilli fiorali

A = SEPALI

A+B = PETALI

B+C = STAMI

C = CARPELLI

A e C si reprimono reciprocamente

Page 24: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

In Arabidopsis

Classe A: APETALA1 (AP1), APETALA 2 (AP2)

Classe B: APETALA3 (AP3), PISTILLATA (PI)

Classe C: AGAMOUS (AG)

In Anthirrinum

Classe A: SQUAMOSA (SQUA)

Classe B: DEFICIENS (DEF), GLOBOSA (GLO)

Classe C: PLENA

Page 25: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

A (AP1, AP2) specifica SEPALI

A e B (AP3, PI) specificano PETALI

A e C (AP1, AG) specificano STAMI

C (AG) specifica CARPELLI

A e C si reprimono reciprocamente

C (AGAMOUS) controlla anche lo stato di crescita determinata del meristema. L’assenza di C fa si che il meristema continui a crescere e nel quarto verticillo si formi un nuovo fiore

Page 26: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Fenotipi dei mutanti omeotici fiorali secondo il modello ABC

agamous1

wt

Page 27: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

apetala2

pistillata2

Page 28: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

wt

apetala2

pistillata2

agamous1

Page 29: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

INTEGRAZIONE DEL MODELLO ABC

Il mancato sviluppo di organi nelle posizioni corrette nei mutanti ABCdimostra che i geni ABC sono NECESSARI per specificare l’identità degli organi fiorali

Sono anche sufficienti?

Come test di sufficienza

STUDI DI ESPRESSIONE ECTOPICA DEI GENI A BC (promotore 35S)

Page 30: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Esempio più significativo overespressione geni di classe B (AP3; PI)

Nel fiore: verticilli esterni = Petali verticilli interni = Stami Sufficienti

In foglie a rosetta = mancata conversione in petali

In foglie caulinari = debole conversione in petali

Insufficienti

Altri componenti oltre ad AP3/PI al di fuori del fiore sono necessari per specificare la funzione B di identità di organo

Page 31: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

geni SEP

sono NECESSARI per specificare l’identità degli organi fiorali

appartengono alla famiglia dei geni MADS

La maggior parte dei geni ABC sono membri della famiglia MADS box

(AP3; PI;AP1; AG)

Inizialmente geni MADS identificati sulla base dell’ omologia con AG

Designati come AGAMOUS-LIKE (AGL)

[MADS = Minichromosome maintenance 1, Deficiens, Agamous, Serum response]

Page 32: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

SEP1 (AGL2); SEP2 (AGL4); SEP3 (AGL9)

Sono simili nella sequenza ed esibiscono lo stesso pattern di espressione temporale durante le fasi iniziali e intermediadello sviluppo del fiore

SEP 1 e SEP2 espressi in tutti e quattro i verticilli

SEP3 espresso soltanto nei verticilli 2, 3 ,4

Page 33: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Mutanti sep singoli o doppi non mostrano fenotipo

Tripli mutanti sep1 sep2 sep3 esibiscono un fenotipo simile a doppi mutanti BC

Come ad esempio pi ag oppure ap3 ag

Nei tripli mutanti il fiore è formato interamente da sepalie i fiori sono indeterminati

Page 34: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Tutti e tre i geni SEP sono necessari per lo sviluppo corretto degli organi fiorali (in assenza dei geni SEP i tre verticilli interni si sviluppano tutti come sepali)

I geni SEP sono ridondanti (necessari i tripli mutanti per la manifestazione del fenotipo)

Page 35: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

MODELLO ABC integrato con i geni SEP

Page 36: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Come test di “SUFFICIENZA” i geni SEP sono stati espressi ectopicamente insieme ai geni ABC

B

B,A

B,C

Page 37: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

L’espressione ectopica dei geni SEP insieme ai geniABC converte foglie caulinari o foglie a rosetta in petali o stami

wt AP3,PI,SEP3

AP3,PI,SEP3, AP1

AP3,PI,SEP3, AG

petaloidepetalo stami

Page 38: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

l’espressione ectopica di AP1 può sostituire la funzione dei geni SEP

Forse SEP necessari quando l’espressione di AP1 è a livelli normali, non 35S::AP1

AP1 e SEP evolutivamente vicini e distinti da altri gruppi di geni MADS comeQuelli cui appartengono AG, AP3, PI.

oppure

Page 39: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Gli esperimenti di espressione ectopica suggeriscono che nei tessuti vegetativi sia l’assenza di un fattore positivo (SEP3 , AP1) piuttosto che la presenza di un repressore a impedire la trasformazione completa delle foglie in petali

Page 40: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

SEP4 sep1 sep2 sep3 : 1 verticillo sepalialtri verticilli sepali omeotici(indeterminato)

I geni sepallata sono necessari per la conversione delle foglie in organi fiorali

sep1 sep2 sep3 sep4:tutti i verticilli foglie omeotiche

Page 41: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Quadruplo mutante ap1, ap2, ap3/pi, ag

Page 42: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

INTERAZIONI MOLECOLARI TRA I GENI SEP e ABC

Entrambi appartenenti alla classe MADS boxe necessari per il corretto sviluppo degli organi fiorali

Relazioni regolative a livello trascrizionale?

(Ad esempio la trascrizione dei geni ABC può dipendere dai geni SEP o viceversa)

SEP RNA si accumula in singoli mutanti ABC

Espressione di ABC avviene nei tripli mutanti sep1 sep2 sep3

Page 43: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

INTERAZIONE DIRETTA ABC /SEP

ETERODIMERIZZAZIONE

Proteine MADS si legano in vitro al DNA come omoo etero dimeri

Si legano ad un motivo consenso detto CArG box5’-CC[AT]6GG-3’

ma SEP (anche AP1) non forma eterodimeri con AP3 o PI

eterodimerizzazione non spiega la formazione di petali e stami (SEP +B)

Page 44: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

La specificità funzionale delle proteine ABC non sembra dipendere da una diversa specificità o affinità di legame al DNA

Tutte le proteine ABC hanno caratteristiche di binding in vitro al DNAin larga parte sovrapponibili

Come si spiega la specificità funzionale?

SPECIFICITA’ FUNZIONALE DELLE PROTEINE MADS

Page 45: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

FORMAZIONE DI COMPLESSI DI ORDINE SUPERIORE

petaliquartetto

2 eterodimeri che interagiscono tra loro

(AP1)

Page 46: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

IL Modello ABC (DE) e il modello del QUARTETTO

E= SEPD= STK, SHT

Page 47: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)
Page 48: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Geni di classe D

Da studi in petunia identificati i geni:

FLORAL BINDING PROTEIN7 (FBP7)

FLORAL BINDING PROTEIN11 (FBP11)

Che determinano l’identità dell’ovulo

Il silenziamento di questi geni determina la conversione degli ovuli in strutture carpelloidi

In Arabidopsis: SHP1, SHP2, , SKT

Page 49: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)
Page 50: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

PER UN CORRETTO SVILUPPO DEL FIORE NECESSARIA UNA

REGOLAZIONE SPAZIALE DELL’ESPRESSIONE DEI GENI OMEOTICI

REGOLAZIONE TRASCRIZIONALE

Page 51: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

GENI CATASTALI

agiscono come regolatori dell’espressione spaziale dei geni omeoticilimitandone l’espressione nelle regioni appropriate

Regolazione trascrizionale

LFY (LEAFY)

AP2 (APETALA2)

SUP (SUPERMAN)

UFO (UNUSUAL FLOWER ORGANS)

Page 52: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Regolazione dell’espressione di AG

Page 53: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Complesso LEUNIG/SEUSS (LUG/SEU)

Funziona da repressore dell’espressione di AG nel primo e secondo verticillo

I singoli mutanti lug e seu mostrano sepali parzialmente convertiti instrutture petaloidi o carpelloidi nel primo verticillo e petali di dimensioniridotte nel secondo; doppi mutanti hanno fenotipo più severo

Espressione ectopica di AG e dei geni di classe B

Page 54: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

AP2

Funziona come repressore di AG nel primo e secondo verticillo.

L’mRNA di AP2 è espresso in tutti e quattro i verticilli ma viene

degradato mediante micro-RNA nel terzo e nel quarto; la proteina AP2,

in grado di reprimere l’espressione di AG è dunque presente solo

nel 1 e 2 verticillo

Page 55: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

LFY

Modulatore positivo dell’espressione di AG

e dei geni di classe B (AP3; PI)

Nei doppi mutanti lfy/ap1 il trascritto di AP3 è assente

LFY+AP1 necessari per l’espressione di AP3

Page 56: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

UFO

Modulatore positivo di AP3

Mutanti ufo hanno un numero ridotto di petali e stami

L’espressione ectopica di UFO provoca la conversione omeotica dei sepali in petali e dei carpelli in stami (come l’espressione ectopica di AP3 o PI)

UFO è una proteina F box

Attiva l’espressione di AP3 determinando la degradazione di un repressore

Page 57: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

SUP

Mutazioni sup determinano la formazione di stami extra al posto dei carpelli

In questi mutanti l’espressione di AP3 (B) normalmente ristretta al secondo e terzo verticillo si espande nel quarto (stami al posto di carpelli)

SUP regola negativamente l’espressione di APETALA3 nel quarto verticillo

Page 58: LO SVILUPPO DEL FIORE. Struttura schematica di un fiore(ermafrodita)

Regolazione dell’espressione di AP3