Dezvoltarea florii este procesul prin care plantele cu flori declanșează o cascadă de expresie a genelor în meristem care are ca rezultat formarea organului de reproducere , floarea . Pentru ca acest lucru să se întâmple, planta trebuie să treacă prin trei etape de dezvoltare și prin modificările fiziologice care le însoțesc: în primul rând, trebuie să ajungă la maturitatea sexuală și să devină un individ matur sexual (adică trecerea la înflorire); în al doilea rând, trebuie să aibă loc transformarea meristemului apical din meristem vegetativ în meristem floral (adică trebuie să aibă loc formarea florilor); și, în sfârșit, creșterea și dezvoltarea organelor individuale ale florii. Pentru a explica mecanismul ultimei etape, a fost inventat modelul ABC , care încearcă să descrie baza biologică a procesului în termeni de genetică moleculară și biologie a dezvoltării .
Pentru a începe procesul de înflorire este nevoie de un stimul extern care ar putea începe diferențierea meristemului. Acest stimul declanșează diviziunea mitotică a celulelor meristeme, în special pe laterale, unde se formează primordii florale. Același stimul face ca meristemul să activeze programul de dezvoltare genetică, ceea ce va duce la creșterea meristemului floral. Principala diferență între meristemele florale și vegetative, pe lângă discrepanța evidentă dintre organele formate, este prezența filotaxiei spiralate în primul , a cărei esență este că se formează un embrion, între spiralele individuale ale organelor din care. nu exista alungirea tulpinii . Aceste spirale suferă o dezvoltare acropetală , dând naștere sepale , petale , stamine și carpele . O altă diferență față de meristemele axilare vegetative este „determinarea” meristemului floral: după diferențiere, celulele acestuia nu se mai pot diviza [1] .
Meristemele florale pot fi împărțite în două tipuri: meristemele generative , din care se formează inflorescențe și care dau naștere la meristemul floral , care formează organele florii. Meristemele florilor dau naștere celor patru organe ale unei flori: sepale, petale de corolă, stamine și carpele ( pistil ). Toate organele florale și meristemele corespunzătoare sunt așezate ca spirale, adică sunt situate sub formă de cercuri concentrice în jurul meristemului florii [2] . Ce organ va fi format din cele patru spirale ale unei flori este determinat de interacțiunea a cel puțin trei clase de gene, sau mai degrabă a produselor lor, fiecare dintre ele își îndeplinește funcția specifică. Conform modelului ABC, funcțiile genei de clasă A sunt necesare pentru inițierea spiralelor de perianth , iar genele de clasă C pentru inițierea spiralelor reproductive. Funcțiile acestor gene sunt de neînlocuit, iar absența uneia dintre ele va însemna că cealaltă va determina identitatea tuturor meristemelor florale. Funcția genelor de clasă B este formarea petalelor din sepale în al doilea spire, precum și formarea staminelor din carpele în al patrulea spire.
Se crede că toate organele florii sunt frunze modificate sau excrescențe ale tulpinii . Această idee a fost exprimată pentru prima dată de I. W. Goethe în secolul al XVIII-lea . „Teoria florilor” a lui Goethe a fost publicată pentru prima dată în 1790 în eseul „O încercare de a explica metamorfoza plantelor” ( germană: Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren ) [3] , unde Goethe a scris:
Căci putem spune la fel de bine că o stamină este o petală contractată și că o petală este o stamină în stare de expansiune; că sepalul este o frunză tulpină contractată care se apropie de un anumit grad de rafinament și că acesta din urmă este sepalul expandat sub presiunea sucurilor grosiere.Goethe JW von Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren. - Gotha, Ettlinger, 1790; paragraful 120.
În timpul tranziției la înflorire, au loc schimbări dramatice în ciclul de viață al plantelor, poate chiar și cele mai importante dintre toate. Întregul proces trebuie să se desfășoare fără erori pentru a se asigura că planta poate lăsa în urmă urmași. Tranziția începe cu depunerea unui meristem generativ, care va da naștere unei inflorescențe sau unei singure flori. Această modificare morfogenetică constă din elemente endogene și exogene. De exemplu, pentru a înflori, o plantă trebuie să aibă un anumit număr de frunze și o anumită cantitate de biomasă totală . Sunt necesare și condiții externe adecvate, cum ar fi durata zilei și temperatura . În acest proces, fitohormonii joacă un rol important , în special giberelinele , care pot stimula trecerea la înflorire [4] .
Există multe semnale care reglează înflorirea la nivel biologic molecular . Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că următoarele trei gene joacă rolul principal în Arabidopsis thaliana : FLOWERING LOCUS T ( FT ), LEAFY ( LFY ), SUPPRESOR OF SUPREXPRESS OF CONSTANS1 ( SOC1 , numit și AGAMOUS-LIKE20 ) [5] . SOC1 codifică o proteină MADS-box care integrează semnale de la alte proteine care răspund la durata zilei, vernalizare , niveluri de zaharoză și gibereline [4] . SOC1 , la rândul său, activează gena LEAFY , care codifică un transfactor și începe cascada principală de gene care duce la formarea organelor florale. Produsul genei FT este o proteină mică cu o masă de 23 kDa, care este un activator de ordin superior în raport cu gena SOC1 . Conform conceptelor moderne, proteina FT este foarte misterioasa florigenă , a cărei existență a fost postulată de M. Kh. Chailakhyan . Sub influența condițiilor favorabile, precum calitatea luminii, durata zilei și vernalizarea, proteina FT este sintetizată în frunzele plantei, care intră în meristemul apical cu fluxul de suc de floem , unde interacționează cu proteina FD localizată permanent. , care este un transfactor de tip deget de zinc . Împreună, aceste două proteine declanșează transformarea meristemului vegetativ în floral și activează gena SOC1 din aval .
Un meristem poate fi definit ca un țesut sau un grup de celule vegetale care este alcătuit din celule stem nediferențiate care sunt capabile să formeze diverse țesuturi specializate. Menținerea și dezvoltarea lor atât în meristemele vegetative cât și în cele generative sunt controlate de mecanismul genetic de determinare și diferențiere celulară. Aceasta înseamnă că o serie de gene vor regla direct, de exemplu, întreținerea celulelor stem ( gena WUSCHEL sau WUS ), în timp ce altele vor avea efectul opus prin mecanismul de feedback negativ , inhibând acțiunea acestei gene (de exemplu, gena CLAVATA sau CLV ). Ambele mecanisme formează o buclă de feedback, care, împreună cu alte elemente, conferă sistemului o stabilitate semnificativă [6] . Gena WUS este responsabilă pentru menținerea diviziunilor celulare ale celulelor meristem apicale, iar gena SHOOTMERISTEMLESS ( STM ) suprimă diferențierea acestora, dar permite totuși celulele fiice să se dividă. Dacă aceste celule s-ar putea diferenția, ar da naștere la noi organe vegetale [7] .
Anatomia unei flori, organizarea sa clară, este concepută pentru a promova reproducerea sexuală a plantelor cu flori . O floare este creată datorită activității a trei clase de gene care îi reglează dezvoltarea [8] :
Modelul ABC al dezvoltării florilor a fost formulat pentru prima dată de George Hawn și Chris Summersville în 1988 [9] . A fost folosit pentru prima dată ca model pentru a explica colecția multor modele genetice și mecanisme identificate în formarea unei flori din subclasa rosid prin exemplul Arabidopsis thaliana și la asteride prin exemplul Antirrhinum majus . Ambele specii au patru spirale (sepale, petale, stamine și carpele), a căror formare este determinată de o anumită expresie a unui număr de gene homeotice în fiecare dintre aceste spirale. Formarea sepalelor este complet determinată de expresia genelor A, dar formarea petalelor necesită exprimarea în comun a genelor A și B. Genele B și C determină identitatea staminelor, doar genele C sunt necesare pentru formarea carpelelor. Trebuie remarcat faptul că genele de tip A și C sunt antagoniste reciproce [10] .
Faptul că aceste gene homeotice determină identitatea unui organ devine evident atunci când o genă dintr-una dintre aceste clase, cum ar fi gena A, nu este exprimată. În Arabidopsis , această pierdere a funcției genelor are ca rezultat o floare cu un spire de carpele, una dintre stamine și un alt carpel suplimentar [ 10] . Această metodă de studiere a funcției genelor folosește genetica inversă pentru a crea plante transgenice prin mecanismul de tăcere prin interferența ARN . Alte studii care folosesc metode genetice directe , cum ar fi cartografierea genetică , analizează fenotipul florilor cu anomalii structurale, din care este apoi clonată gena de interes. O astfel de floare poate avea o alelă disfuncțională sau hiperactivă a genei responsabile de mutație [11] .
În plus față de principalele clase de gene A, B și C, au fost găsite două clase suplimentare de gene, D și E. Genele D sunt responsabile pentru formarea ovulului ca proces separat, neasociat cu formarea de carpele (pistil), care apare după depunerea lor [12] . Acțiunea genelor E este necesară pentru toate cele patru verticile, deși inițial se presupunea că acestea au fost necesare doar pentru dezvoltarea celor trei verticile interioare (funcția genelor E sensu stricto ) [13] . Cu toate acestea, într-un sens mai larg ( sensu lato ), acestea sunt necesare pentru toate cele patru spirale [14] . Astfel, atunci când genele D sunt dezactivate, structura ovulelor este perturbată și ele devin asemănătoare cu frunzele, iar când funcția genelor E sensu stricto este pierdută, organele florale ale celor trei spirale interioare sunt transformate în sepale . 13] . Dacă spunem sensu lato, atunci organele tuturor celor patru spirale devin ca frunze [14] . Trebuie remarcat faptul că proteinele codificate de aceste gene sunt proteine MADS box [15] .
Metodologic, studiul dezvoltării florilor a fost realizat în două etape. În primul rând, genele necesare pentru inițierea meristemului floral au fost identificate cu acuratețe. La A. thaliana , aceste gene includ APETALA1 ( AP1 ) și LEAFY ( LFY ). Apoi a fost efectuată o analiză genetică a fenotipurilor aberante în funcție de caracteristicile relative ale florilor, ceea ce a făcut posibilă caracterizarea genelor homeotice implicate în proces.
Analiza mutațiilorAu fost găsite multe mutații care afectează morfologia florii , deși analiza sistematică a mutanților relevanți a fost relativ recentă. Multe dintre ele schimbă identitatea organelor florii, de exemplu, unele organe se dezvoltă în locul în care altele ar fi trebuit să se dezvolte. Acestea sunt așa-numitele mutații homeotice , care sunt similare cu mutațiile din genele HOX găsite în Drosophila . În Arabidopsis și Antirrhinum , cei doi taxoni pe care se bazează modelul ABC, aceste mutații afectează întotdeauna spiralele adiacente. În conformitate cu aceasta, toate mutațiile pot fi împărțite în trei clase, în funcție de verticile pe care le afectează:
ADN-ul genelor responsabile de mutațiile homeotice la mutanții menționați mai devreme a fost clonat, iar structurile și produsele acestora au fost investigate. Studiul a folosit analiza în serie a expresiei genelor pentru a determina modelul expresiei genelor în diferite țesuturi de-a lungul dezvoltării florii. Locul și secvența expresiei se potriveau în general cu cele prezise de modelul ABC.
Prin natură, proteinele codificate în aceste gene s-au dovedit a fi factori de transcripție . Un grup similar de factori de transcripție, așa cum era de așteptat, se găsește la drojdii și animale . Acest grup se numește proteine MADS ; nume - un acronim al primelor litere ale numelor primilor patru membri ai acestei familii. Factorii MADS au fost găsiți la toate speciile de plante studiate, deși nu poate fi exclus ca și alte elemente să fie implicate în reglarea expresiei genelor [8] .
La A. thaliana , clasa A este reprezentată de două gene: APETALA1 ( AP1 ) și APETALA2 ( AP2 ) [16] . AP1 este o proteină MADS-box , iar AP2 aparține familiei CBF de gene care codifică proteine care au un domeniu AP2. Această familie este formată din trei factori de transcripție și se găsește numai la plante [17] . AP1 controlează inițierea sepalelor și florilor și este activă și în meristemul floral. AP2 funcționează nu numai în primele două spirale (sepalele și petale), ci și în cele două spirale interioare, precum și în dezvoltarea ovulelor și chiar în frunze și lăstari. De asemenea, s-a demonstrat că exprimarea lui este necesară pentru germinarea semințelor. Este foarte probabil să existe un mecanism de reglare post-transcripțională care îi afectează capacitatea de a îndeplini funcția A sau că are funcții în procesul de diferențiere a organelor care nu sunt legate de formarea florilor [17] .
În Antirrhinum , o genă ortologă AP1 se numește SQUAMOSA ( SQUA ) și afectează, de asemenea, meristemul floral. AP2 este omoloagă genelor LIPLESS1 ( LIP1 ) și LIPLESS2 ( LIP2 ), care au o funcție interschimbabilă și sunt implicate în dezvoltarea sepalelor, petalelor și ovulelor [18] .
Trei gene asemănătoare AP2 au fost izolate din Petunia hybrida : APETALA2A ( PhAP2A ), PhAP2B și PhAP2C . PhAP2A este în mare parte omoloagă cu gena Arabidopsis AP2 , atât în ceea ce privește secvența primară de aminoacizi, cât și modelul de expresie, ceea ce sugerează că aceste două gene sunt ortologi. Proteinele PhAP2B și PhAP2C, dimpotrivă, sunt oarecum diferite de AP2, deși aparțin unei familii de factori de transcripție similar familiei AP2. În plus, ambele gene sunt exprimate diferit, deși sunt foarte asemănătoare în comparație cu PhAP2A . De fapt, mutațiile în aceste gene nu produc fenotipul obișnuit corespunzător alelei nule a genelor A [19] .De fapt, nu au fost găsite gene adevărate cu funcție A la petunii; o parte a funcțiilor A (inhibarea genelor de clasă C în cele două spirale exterioare) a fost mediată în mare măsură de miRNA169 (denumit în mod colocvial ORB).
La A. thaliana , doar două gene aparțin clasei de gene B: APETALA3 ( AP3 ) și PISTILLATA ( PI ), ambele codificând proteinele MADS . O mutație în cel puțin una dintre aceste gene determină transformarea homeotică a petalelor în sepale și a staminelor în carpele [20] . La fel se întâmplă și cu genele ortologe la A. majus : DEFICIENS ( DEF ) și GLOBOSA ( GLO ) [21] . La ambele specii, aceste proteine funcționează ca heterodimeri: AP3 și PI sau DEF și GLO. Numai în această formă se pot lega de ADN [22] .
La petunii, gena echivalentă GLO/PI a suferit o duplicare , rezultând două gene: P. hybrida GLOBOSA1 ( PhGLO1 , numit și FBP1 ) și PhGLO2 (numit PMADS2 sau FBP3 ). În ceea ce privește gena care este echivalentă ca funcție cu AP3/DEF , petunia are o genă cu o secvență relativ similară numită PhDEF și o altă genă atipică cu funcție B, PhTM6 . Studiile filogenetice au atribuit primele trei gene liniei „euAP3”, în timp ce gena PhTM6 a fost atribuită liniei mai vechi „paleoAP3” [23] . Trebuie remarcat faptul că, din punct de vedere al istoriei evoluției, apariția liniei euAP3 pare să fie asociată cu apariția dicotiledonatelor , deoarece genele B din linia euAP3 sunt prezente în principal în dicotiledone, iar genele din descendența paleoAP3 este prezentă în monocotiledone și paleodicotile [24] .
După cum sa discutat mai sus, organele florale ale unei angiosperme eudicot sunt distribuite în 4 spirale diferite, din care apar sepale, petale, stamine și carpele. Modelul ABC afirmă că angajarea acestor organe este determinată de genele homeotice A, A+B, B+C și C. Spre deosebire de sepale și petalele Eudicot, periantul multor plante Liliaceae ( Liliaceae ) este format din două spirale aproape identice asemănătoare petale. Pentru a explica morfologia florii Liliaceae , în 1993 van Tanen și colab. au propus un model ABC modificat. Acest model sugerează că genele de clasă B sunt exprimate nu numai în spiralele 2 și 3, ci și în spiralele 1. Rezultă că organele spiralelor 1 și 2 exprimă gene de clasă A și B și astfel dobândesc o structură asemănătoare petalelor. Modelul a fost validat experimental atunci când a fost posibil să se izoleze și să se caracterizeze genele omoloage genelor GLOBOSA și DEFICIENS din mucusul de la lalea Tulipa gesneriana . După cum sa dovedit, aceste gene au fost exprimate în trei spirale [25] .
Omologii GLOBOSA și DEFICIENS au fost de asemenea izolați din Agapanthus praecox ssp. orientalis ( Agapanthaceae ), care este departe filogenetic de organismele model. Genele au fost denumite ApGLO și ApDEF . Ambele au un cadru de citire deschis și codifică proteine cu o lungime de 210-214 reziduuri de aminoacizi . Analiza filogenetică a acestor gene a arătat că ele aparțin familiei de gene B de monocotiledone . Prin hibridizare in situ s-au dovedit că ambele gene sunt active în verticile 1, 2 și 3. Luate împreună, aceste observații sugerează că mecanismul de dezvoltare a florii la Agapanthus urmează un model ABC modificat [26] .
La A. thaliana , genele de clasă C includ gena care codifică proteina MADS , AGAMOUS ( AG ), care este implicată în formarea staminelor și carpelelor, precum și în inițierea meristemului floral [16] . Mutanții din gena AG sunt lipsiți de androceu și gineceu , în loc de care se dezvoltă petale și sepale. În plus, creșterea mijlocului florii este perturbată, drept urmare petalele și sepalele cresc în spirale repetate.
Gena PLENA ( PLE ), prezentă în A. majus în locul genei AG, nu este ortologul acesteia. Omologul genei AG din A. majus este o altă genă, FARINELLI ( FAR ), care este implicată în dezvoltarea anterelor și în maturarea polenului [27] .
La petunii , snapdragons și porumb , funcția genelor C este îndeplinită de un număr de gene care funcționează pe aceleași linii. Cei mai apropiați omologi ai genei AG din Petunia includ pMADS3 și proteina 6 cu legare florală ( FBP6 ) [27] .
Genele de clasa D au fost descoperite în 1995. Ele codifică proteine MADS și au o funcție specifică care diferă de toate cele descrise anterior, deși au o anumită omologie cu genele de clasă C. Aceste gene includ FLORAL BINDING PROTEIN7 ( FBP7 ) și FLORAL BINDING PROTEIN1L ( FBP1l ) [12] . La petunii , s-a descoperit că acestea sunt implicate în dezvoltarea ovulelor. Gene similare au fost găsite mai târziu în Arabidopsis [28] , unde controlează și dezvoltarea carpelelor, a ovulelor și chiar a unor structuri legate de dispersarea semințelor . Aceste gene sunt numite SHATTERPROOF 1, 2 ( SHP ) și SEEDSTICK ( STK ). Gena SHP este reprezentată în genomul Arabidopsis prin două copii foarte asemănătoare care îndeplinesc aceeași funcție. Așa cum se întâmplă în genele de clasă B, proteinele SHP și STK trebuie să formeze un heterodimer pentru a se putea lega de ADN.
În timpul studiului petuniilor și roșiilor , prin interferența ARN a fost obținut un fenotip interesant , rezultatul descoperirii căruia a fost că în 1994 au fost izolate o nouă funcție în modelul de dezvoltare a florii și genele corespunzătoare acesteia. Inițial, se credea că genele de clasă E sunt implicate doar în dezvoltarea a trei verticile interne, dar lucrările ulterioare au arătat că exprimarea lor este necesară pentru toate verticilele unei flori [13] . Patru gene de clasă E au fost găsite în Arabidopsis , denumite SEPALLATA : SEP1 , SEP2 , SEP3 și SEP4 . Toate cele patru gene îndeplinesc aceeași funcție și se dublează reciproc, cu toate acestea, un mutant defect în toate cele patru gene SEP nu dezvoltă organe florale, iar întreaga floare este formată în întregime din sepale (de fapt frunze).
Modelul ABC a adus ordine și un impuls semnificativ cercetării în morfogeneza florilor, dar nu spune nimic despre mecanismele moleculare din spatele acestui proces. În 2001 Günter Theissen [29] , pe baza datelor din literatură și a numeroaselor observații acumulate până la acel moment, a propus așa-numitul „model de cvartet”. Se știa cu siguranță că proteinele MADS interacționează cu ADN -ul pentru a forma dimeri, așa cum se întâmplă cu genele de clasă B și C. Pe baza faptului că cinci clase de gene (A, B, C, D și E) sunt necesare pentru dezvoltarea florii ( A, B, C, D și E), Theissen a sugerat că produsele genelor de identitate ale organelor florale funcționează ca complexe de proteine heterotetramerice. În lucrările ulterioare, ipoteza sa a fost confirmată și în curând a devenit general acceptată. Acest model a făcut posibilă trecerea de la interacțiunea abstractă a genelor la obiecte fizice specifice. Conform modelului cvartetului, produsele genice A+E sunt necesare pentru formarea sepalelor, A+B+E pentru petale, B+C+E pentru stamine, C+E pentru carpele și D+E pentru ovule. Fiecare pereche de transfactori MADS este capabilă să se lege la ADN care conține secvența CC[A/T] 6 GG, abreviată ca CArG-box [30] , deci se presupune că cvartetul de proteine se leagă de două CArG-box la ADN diferit. regiuni deodată. , făcându-l să se învârtească într-o buclă. Apoi, în funcție de compoziția cvartetului, declanșează sau suprimă expresia genelor din fiecare dintre regiunile ADN. Se crede că genele de clasă E joacă un rol semnificativ în acest proces, asigurând legarea a doi dimeri într-un tetramer. Un sistem similar a fost găsit în cele din urmă în toate plantele model. În prezent, modelul cvartetului este un model general acceptat al dezvoltării biologice moleculare a unei flori [31] .
În prezent, au fost identificate cinci complexe proteice pentru A. thaliana , care sunt responsabile pentru dezvoltarea unui anumit organ floral [32] :