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GENI DI IDENTITA MERISTEMATICA. FIORE: complesso apparato di strutture funzionalmente specializzate e radicalmente diverse dallorganismo vegetativo sia.

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Presentazione sul tema: "GENI DI IDENTITA MERISTEMATICA. FIORE: complesso apparato di strutture funzionalmente specializzate e radicalmente diverse dallorganismo vegetativo sia."— Transcript della presentazione:

1 GENI DI IDENTITA MERISTEMATICA

2 FIORE: complesso apparato di strutture funzionalmente specializzate e radicalmente diverse dallorganismo 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 Linsieme degli eventi che portano lapice del germoglio a produrre fiori si indica come INDUZIONE FIORALE

3 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 DELLINFIORESCENZA Il MERISTEMA FIORALE si differenzia da un gruppo di cellule che si trovano ai lati del meristema dellinfiorescenza Il programma di sviluppo è diverso in quanto il meristema dellinfiorescenza è a crescita indeterminata mentre quello fiorale è a crescita DETERMINATA

4 SAM è convertito in meristema dellinfiorescenza in risposta ad uno stimolo fiorale Il meristema dellinfiorescenza è uno stato transitorio dalla crescita vegetiva a quella riproduttiva Il meristema dellinfiorescenza genera il MERISTEMA FIORALE

5 SAM MI

6 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

7 SAM indeterminato Organogenesi AM inattivo MI apicale e ascellari attivi e indeterminati MF prodotti ai lati dei MI : formazione del fiore

8 Le infiorescenze possono essere determinate o indeterminate (semplici e composte) ds is ic cimaspiga a racemo Infiorescenza di arabidopsis (indefinita )

9 Infiorescenza definitaInfiorescenza indefinita

10 microscopio confocale

11 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

12 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, M e MIKC

13 GENI MADS box in specie diverse Anthirrinum arabidopsis petunia pomodoro

14 MADS-box In rosso

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16 FMI ABC induzione

17 FMI Identificati dalla scoperta di mutanti loss of function in cui i fiori sono rimpiazzati da strutture intermedie tra germoglio vegetativo e fiorale

18 MUTAZIONI lfy, ap1, cal compromettono la capacità del meristema vegetativo di svilupparsi in meristema fiorale

19 Mutante lfy: foglie al posto degli organi fiorali, con disposizione spiralata

20 ap1lfy ap1 ap1: fiori secondari allascella degli organi del I verticillo; fiori con conversione omeotica sepali in foglie e perdita dei sepali lfy ap1 transizione fiorale bloccata ; meristemi delinfiorescenza

21 In Anthirrinum FLORICAULA (FLO) SQUAMOSA (SQUA) LEAFY AP1

22 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

23 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 dellinfiorescenza, 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

24 LEAFY è allincrocio 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 nellapice 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

25 SOC1 translocated to nucleus by interaction with AGL24 directly regulates LEAFY. Lee JLee J, Oh M, Park H, Lee I.Oh MPark HLee I National Research Laboratory of Plant Developmental Genetics, Department of Biological Sciences, Seoul National University, Seoul, , Korea. Thus, we propose that the heterodimerization of SOC1 and AGL24 is a key mechanism in activating LFY expression. Plant J May 9 [Epub ahead of print]

26 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)

27 Pattern di espressione dei geni MI mvmf

28 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

29 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

30 LEAFY e AP1 svolgono un ruolo primario nelliniziare 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 lattuazione del programma fiorale Entrambi codificano fattori di trascrizione fortemente espressi nei primordi fiorali Riassumendo…

31 CAULIFLOWER (CAL) AP1 e CAL hanno sequenze strettamente correlate e un pattern di espressione simile; allinizio 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)

32 Il gene CAULIFLOWER del cavolfiore coltivato ha un codone di stop che inattiva il prodotto genico Ciò previene la transizione dellinfiorescenza a meristema fiorale generando la ripetizione di meristemi dellinfiorescenza

33 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 lespressione di FUL nel MF FRUITFULL (FUL)

34 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

35 TERMINAL FLOWER 1 (TFL 1) Gene di identità del meristema dellinfiorescenza Arabidopsis: a infiorescenza indeterminata Il meristema dellinfiorescenza 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

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37 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 dellinfiorescenza Mutanti loss of function tfl1 formano precocemente fiori terminali Lespressione costitutiva di TFL1 (35S::TLF1) ritarda la formazione dei fiori

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39 LFY, AP1, CAL specificano lidentità di MF TFL1 specifica lidentità 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 lespressione di TFL1 nel meristema fiorale

40 Pattern di espressione dei geni MI mvmf

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42 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

43 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

44 Modello interazione TFL1 FT con target

45 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 dellinfiorescenza

46 LEAFY è espresso precocemente nel meristema dellinfiorescenza e dà inizio al programma differenziativo LEAFY promuove lespressione 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

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48 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 allinduzione di AG (WUSCHEL) INDUCE i geni SEP (forse)

49 AP1 (CAL ) Richiesto per lo sviluppo di sepali e petali e indirettamente per lo sviluppo di stami e carpelli poiché attiva lespressione di AGAMOUS (AG)

50 TERMINAZIONE Il meristema fiorale è a crescita determinata Una volta completato il differenziamento del fiore il meristema cessa di accrescersi AGAMOUS è linterruttore per il segnale di terminazione Il segnale coinvolge la funzione di WUSCHEL

51 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 dallinterazione WUS / AG

52 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

53 Lespressione ectopica di WUS porta alla formazione di stami e carpelli ectopici in maniera AG dipendente. WUSCHEL attiva lespressione di AG

54 Perché lattivazione 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)

55 Allinizio dello sviluppo fiorale WUSCHEL attiva la trascrizione di AGAMOUS AG successivamente reprime la trascrizione di WUS determinando il differenziamento delle ultime cellule meristematiche Il meccanismo coinvolge il sistema WUSCHEL/CLAVATA

56 Terminazione fiorale attraverso il feedback WUSCHEL/AGAMOUS fase iniziale: WUS e LFY (x) attivano lespressione di AG Nella zona in blu nella fase di formazione dei carpelli AG (Y) reprimono WUS e si ha la terminazione del meristema

57 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 dellultimo verticillo? I LIVELLI DI ESPRESSIONE di AG aumentano durante tutto il differenziammento forse necessario un valore di soglia di AG per linibizione dellespressione di WUS, che si raggiunge solo dopo il differenziamento dei carpelli Oppure altro fattore regolativo necessario (Y) che compare negli stadi finali

58 meristema vegetativo meristema fiorale

59 La formazione del fiore richiede lesecuzione 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…………

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62 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

63 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 lestensione dei domini di espressione di questi geni e con lespressione ectopica di AG nel MF AtGCN5 controlla il pathway di espressione WUS-AG

64 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

65 Le istone acetiltransferasi generalmente sono richieste per lattivazione dei geni Tuttavia è documentato che GCN5 funziona anche come repressore AtGCN5 funzionerebbe come modulatore negativo della espressione di WUS/AG

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