LO SVILUPPO DEL FIORE

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Giancarlo Giusti
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1 LO SVILUPPO DEL FIORE

2 FIORE: complesso apparato di strutture funzionalmente specializzate e radicalmente diverse dall organismo vegetativo sia nella forma che nei tipi cellulari (esempio cellule epidermiche) La transizione verso la fioritura implica cambiamenti radicali nel destino delle cellule dei meristemi apicali: cambiamento di fase L insieme degli eventi che portano l apice del germoglio a produrre fiori si indica come INDUZIONE FIORALE

3 INDUZIONE FIORALE Cambio di destinazione del meristema apicale: da vegetativo a fiorale Attraverso questa variazione si verrà a delineare una particolare linea cellulare: la linea germinale Meiosi Gameti Riproduzione Si possono distinguere due momenti fondamentali: 1) FENOMENO DELL INDUZIONE: segnali endogeni e/o esogeni rendono il meristema apicale competente per la fioritura, il meristema è determinato alla produzione del fiore 2) FENOMENO DELLA PRODUZIONE DELL ORGANO: se gli stimoli sono quelli giusti allora tale fenomeno viene concretizzato

Controllo Multifattoriale Segnali esogeni: Luce, temperatura, disponibilità d acqua, fotoperiodo Segnali endogeni: L ormone universale della

4 Controllo Multifattoriale Segnali esogeni: Luce, temperatura, disponibilità d acqua, fotoperiodo Segnali endogeni: L ormone universale della fioritura il Florigeno non è stato identificato, intervengono Ormoni e metaboliti differenti (GA, citochinine, saccarosio, poliammine) Vedi mutante ga1-3

5 Arabidopsis è una pianta longidiurna facoltativa Il pathway di fotoperiodo induce fioritura in risposta all aumento del rapporto giorno/notte Il pathway di vernalizzazione rende Arabidopsis competente alla fioritura dopo esposizione a basse temperature per un lungo periodo Il pathway delle gibberelline induce la fioritura e le GAs sono necessarie in condizioni di fotoperiodo non induttive Questi fattori esogeni ed endogeni sono implicati nel cambiamento di fase da meristema vegetativo a fiorale

6 anche l età della pianta influenza la differenziazione meristematicha Per poter fiorire la pianta deve essere adulta

7 L INDUZIONE ALLA FIORITURA prevede due momenti diversi regolati distintamente: 1) L induzione alla fioritura prevede l espressione dei geni di IDENTITÀ DEL MERISTEMA FIORALE 2) Lo sviluppo del fiore è determinato dall espressione dei geni di IDENTITÀ PER GLI ORGANI FIORALI. 1 2 In arabidopsis i principali geni di identità del meristema fiorale sono: LEAFY (LFY), APETALA1 (AP1), CAULIFLOWER (CAL). L induzione di questi geni è necessaria per la conversione da meristema vegetativo a fiorale

8 La fioritura comporta una serie di trasformazioni funzionali e strutturali dell apice (cambiamenti molecolari e citologici) MERISTEMI FIORALI: distinguibili dai vegetativi perché di dimensioni maggiori e non più protetto da foglioline avviene un cambiamento morfologico Transizione allo stadio riproduttivo è segnata da un aumento delle divisioni cellulari nella zona centrale del meristema apicale (SAM). AUMENTO DEL TASSO DI DIVISIONE DELLE CELLULE CENTRALI

SAM in Arabidopsis ha tre attività: 1) Automantenimento 2) produzione di foglie 3) formazione dello stelo Diviso in 3 zone: CZ (Central Zone) all apice del meristema, scarsa attività di divisione

9 SAM in Arabidopsis ha tre attività: 1) Automantenimento 2) produzione di foglie 3) formazione dello stelo Diviso in 3 zone: CZ (Central Zone) all apice del meristema, scarsa attività di divisione cellulare, automantenimento PZ (Peripheral Zone), circonda la central zone, % divisione cellulare alta, produzione di foglie Rib (Rib Zone), dietro la central zone, % divisione cellulare alta, formazione dello stelo Zone istologiche CZ PZ PZ RZ

ad essere fortemente espressi nei meristemi fiorali.

10 Con l induzione alla fioritura il SAM è trasformato in una infiorescenza primaria che produce un fusto allungato che porta le gemme fiorali I geni di identità fiorale tendono ad essere fortemente espressi nei meristemi fiorali. I profili di espressione dei geni di identità del meristema sostengono l ipotesi che essi giocano un ruolo chiave nella specificazione.

11 Confronto tra le due tipologie di meristema Sezione longitudinale della regione apicale di un germoglio vegetativo e di un germoglio riproduttivo di Arabidopsis Primordio fogliare Meristema vegetativo Meristema infiorescenza Meristema fiorale

12 In base alla porzione di meristema fiorale che si differenzierà avremo: Infiorescenza indefinita Infiorescenza definita

13 I primordi delle foglie formati prima della transizione alla fioritura diventano foglie caulinari, alla cui base si sviluppano infiorescenze secondarie le quali ripetono il programma di sviluppo dell infiorescenza primaria

14 Struttura schematica di un fiore ermafrodita 1) Componenti più esterni: ORGANI NON RIPRODUTTIVI 2) Componenti più interni: ORGANI RIPRODUTTIVI

15 SVILUPPO DEL FIORE

16 Il meristema fiorale determina la formazione di quattro diversi tipi di elementi fiorali, organizzati in cerchi concentrici: verticilli La formazione degli organi più interni (carpelli) esaurisce le cellule meristematiche nella zona apicale e rimangono solo i primordi degli organi fiorali In Arabidopsis dall esterno: Calice: Quattro sepali (verdi) Corolla: Quattro petali (bianchi) Androceo: Sei stami (quattro più lunghi) Gineceo (Stigma+Stilo+Ovario, formato da due camere definite Carpelli)

17 Organi fiorali formati in sequenza dal meristema fiorale di Arabidopsis

18 Il fiore di Arabidopsis (simmetria raggiata)

19 Simmetria bilaterale Simmetria raggiata

20 Il fiore di Anthirrinum (zigomorfo: simmetria bilaterale)

21 Fiore del riso: perianzio ridotto

22 Studi condotti principalmente su Arabidopsis e Anthirrinum (bocca di leone) Identificazione di una rete di geni che controlla la morfogenesi del fiore

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

23 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)

24 Lo studio di MUTANTI FIORALI OMEOTICI ha portato alla scoperta dei geni che controllano l identità degli organi fiorali

25 Mutanti omeotici Homeosis: Something has been changed into the likeness of something else Bateson 1894 Wilhelm Johannsen William Bateson

26 Mutazioni omeotici: mutazioni che determinano un cambiamento di identità dell organo

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:

27 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 animali 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 aa Inoltre è presente un motivo K box di interazione Proteina-proteina

28 MADS domain family of transcription factors MADS: MCM1(lievito), AGAMOUS (arabidopsis), DEFICIENS (anthirrinum), SRF (uomo) N MADS I K C MADS I K C N 56 aa, highly conserved, DNA-binding, dimerisation aa, considerable sequence variability 70 aa, moderately conserved, keratin related, protein-protein interactions Poor or no sequence conservation A region present in AG and related MADS proteins

29 In Arabidopsis oltre 100 geni MADS BOX Animali o funghi ne possiedono un numero molto minore (Drosophila 2) Nelle piante molti di questi geni sono coinvolti nello sviluppo del fiore (DETERMINAZIONE DEI MERISTEMI FIORALI) ma anche: - Crescita delle radici, - Sviluppo del gametofito femminile - Tempo di fioritura - Maturazione dei frutti - Deiscenza Geni Principali APETALA1, APETALA3, PISTILLATA, AGAMOUS, SEPALLATA1, SEPALLATA2, SEPALLATA3

30 MODELLO ABC Negli anni 90 E. Meyerowitz, E. Coen et al. proposero il modello ABC per l identità degli organi fiorali Basato sullo studio dei mutanti fiorali omeotici di Arabidopsis e Anthirrinum modello semplice e applicabile a molte angiosperme ancora oggi valido con integrazioni

31 Il modello ABC descrive la specificazione degli elementi fiorali A B C

32 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 Ogni gene regola l identità di due verticilli vicini, o meglio la combinazione di due prodotti genici presenti in ciascun verticillo. Un ulteriore aspetto è che A e C agiscono in modo antagonista. Dove c è A non può esserci C.

33 ABC genes in Arabidopsis and snapdragon Arabidopsis Snapdragon A function B function APETALA1 APETALA2 PISTILLATA APETALA3 SQUAMOSA GLOBOSA DEFICIENS C function AGAMOUS PLENA

34 A (AP1, AP2) specifica SEPALI A + B (AP3, PI) specificano PETALI B + C (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

35 Fenotipi dei mutanti omeotici fiorali secondo il modello ABC wt apetala2

36 pistillata2 agamous1

37 Double and triple mutants in Arabidopsis A - B - A - B - C - C A B C B - C - A

38 Are ABC MADS-box genes necessary for development of flower organs?.(yes) A - B - C - A B C Are they sufficient? No, expression of ABC genes in leaves does not convert leaves into flower organs.

39 I profili d espressione dei geni ABC AP1 AP3 AG

40 Induction of flowering

41 Meristems and phase transitions Vegetative meristem CO FLC AGL20 AGL24 Inflorescence meristem LFY/FLO Flower meristem wt

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