Молекулярно-генетические механизмы инициации цветения

Гены, контролирующие время цветения

Гены идентичности флоральной меристемы

Гены идентичности органов цветка

вегетативная
меристема

Генетическая регуляция цветения у A.thaliana

Гены, контролитрующие инициацию цветения

Blázquez, 2001

Инициация цветения

Гормоны, сахара

Температура

Длина светового дня

Циркадные ритмы

Влияние различных факторов на инициацию цветения

Открытие фотопериодизма у растений:

Флориген - гормон цветения, термин предложен
М. Х. Чайлахяном, 1936
Гипотеза:

Инициация цветения

Гормоны, сахара

Температура

Длина светового дня

Циркадные ритмы

Влияние различных факторов на инициацию цветения

1. Растения короткого дня
(кукуруза, рис и др.)

2. Растения длинного дня (арабидопсис,

свет

красный свет

синий свет

фитохромы
(PHYB, PHYD, PHYE)

криптохромы
(CRY1, CRY2)

«циркадные часы»

Гены, регулирующие цветение

Фотопериодическая регуляция инициации

Основные компоненты «циркадных часов» растений

LHY – LATE ELONGATED HYPOCOTYL
CCA1 – CIRCADIAN

Активность люциферазы у растений CAB::LUC (CAB - chlorophyll a/b-binding protein)

«Циркадные

Imaizumi and Kay., TRENDS in Plant Science 2006

Гены, регулируемые циркадными

WT

35S::CO

Ген CONSTANS (CO) в регуляции инициации цветения

Ген CO – кодирует предполагаемый

Экспрессия гена CONSTANS (CO::GUS)
в проводящих тканях

An et al., Development 2004

Короткий день

день

ночь

Длинный день

Время

Цветение

день

ночь

Динамика экспрессии гена CONSTANS в течение суток

Нестабильность белка CO

Фотопериодическая регуляция активности CO

Фотопериодическая регуляция активности CO

COP1

синий свет

криптохромы
(CRY1, CRY2)

CO
protein

цветение

Фотопериодическая регуляция активности CO

CO
mRNA

Криптохромоподобный белок (FKF1)

Убиквитин-лигаза

Убиквитин-лигаза

CDF

Репрессор транскрипции

COP1 опосредует убиквитин-зависимую деградацию белка CO

Liu et al., Plant Cell 2008

COP1 опосредует убиквитин-зависимую деградацию белка CO:
исследование взаимодействия белков COP1 и

СОР1 опосредует темновую деградацию белка СО

Молекулярные механизмы «гипотезы совпадения»

Регуляция на уровне мРНК СО:
FKF1 (FLAVIN-BINDING KELCH REPEAT

Выявление мишеней CONSTANS

FT - белок 20 кДа, имеет гомологию с Raf-киназным

КОРОТКИЙ ДЕНЬ

ДЛИННЫЙ ДЕНЬ

мРНК CO

мРНК CO

белок CO

белок CO

мРНК FT

мРНК FT

FT – FLOWER

Imaizumi and Kay., TRENDS in Plant Science 2006

Продукт гена FT

Активация экспрессии FT (HSP::FT)

цветение

ТШ

ТШ

Содержание транскриптов FT и GUS (контроль) в

http://4e.plantphys.net/article.php?ch=25&id=398

Jaeger and Wigge Current Biology 2007

Передвижение белка Myc FT в апекс

Белок FT (флориген) транспортируется из листа в апекс побега, где инициирует

http://4e.plantphys.net/article.php?ch=25&id=398

Фотопериодическая регуляции цветения у растений длинного дня и растений короткого дня

Фотопериодическая регуляция активности CO и FT

Основные гены, контролирующие фотопериодическую индукцию цветения у длиннодневного растения Arabidopsis thaliana

Ген TFL (Terminal Flower) арабидопсиса

Продукт гена TFL – белок - репрессор

TFL1 – имеет 59% сходства с белком FT

FD

FD

FD

FD

активация транскрипции

репрессия транскрипции

активация транскрипции

репрессия

Белки семейства FT/TFL у разных видов семенных растений

Дополнительная функция FT – контроль образования клубней картофеля

Выявление мишеней FT:

Abe et al., SCIENCE 2005

Изучение влияния мутаций по различным

Экспрессия FD (FD::GUS) в апексе побега

Abe et al., SCIENCE 2005

Ген FD

Передача сигнала флоригена FT: FAC (Florigen Activating Complex)

Участники:
Белки семейства 14-3-3
Транскрипционный

Выявление мишеней FT

FT

SOC1
(SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1)

Функции ТФ SOC1

SOC1
+ AGL24, 71, 72

LFY

FT + FD

CO

FLC

гиббереллины

Органы цветка

ТФ с MADS

Мишени ТФ SOC1

C промотором SOC1 связываются димеры «цветочных» ТФ MADS, подавляя его экспрессию

Схема регуляции цветения у растений с участием ТФ SOC1

http://4e.plantphys.net/article.php?ch=25&id=398

Инициация цветения

Гормоны, сахара

Температура

Длина светового дня

Циркадные ритмы

Влияние различных факторов на инициацию цветения

Achard et al., PNAS 2007

Антагонизм этилена и гиббереллинов в регуляции цветения

гиббереллины

цветение

этилен

Роль гиббереллинов в индукции цветения

GA

LFY

SOC

FT

цветение

Инициация цветения

Гормоны, сахара

Температура

Длина светового дня

Циркадные ритмы

Влияние различных факторов на инициацию цветения

Вернализация – продолжительное воздействие низких температур (как правило, 1-7 °С в

Молекулярные основы эпигенетических изменений:

метилирование ДНК
2. модификация структуры хроматина:

VRN1 - ДНК-связывающий Myb-белок
VRN2 - белок Polycomb-группы, обладающий гистон-метил-трансферазной активностью
VIN3 –

Sung, Amasino. Curr Opin Plant Biol 2004

Эпигенетическая регуляция активности гена FLC

Регуляция уровня транскриптов FLC: метилирорвание /де-метилирование гистонов, антисенс-РНК

FCA+FY – факторы

Drosophila melanigaster

Arabidopsis thaliana

POLYCOMB - комплекс обладает гистон –
метилтрансферазной активностью (метилирует Lys9

(а) – только PRC2 комплекс ? неполное подавление экспрессии
(b) – присоединение

Регуляция экспрессии FLC с помощью эпигенетических механизмов

Jarillo et al., 2009

Активация экспрессии FLC
(в эмбриональном развитии)

Jarillo et al., 2009

Гистон H2A.Z

ARP6

TRITHORAX 1

Участие некодирующих РНК в подавлении экспрессии FLC

COOLAIR (COLD INDUCED LONG ANTISENSE

Рекрутирует деметилазу H3K4me2/3

Участие некодирующих РНК в подавлении экспрессии FLC

Grimanelli and Roudier,

Регуляция экспрессии с участием комплексов Thrithorax, Polycomb и длинных некодирующих РНК

Arabidopsis

млекопитающие

- LEAFY (LFY )
- APETALA1 (AP1)
- CAULIFLOWER (CAL )
- UNUSUAL FLORAL

Мутации, нарушающие функцию генов, отвечающих за образование цветочной меристемы, приводят к

дикий тип

lfy

Фенотип мутации lfy у арабидопсиса

lfy

Слабый уровень экспрессии гена LFY наблюдается и на вегетативной стадии развития

Фенотип трансгенных растений 35S::LFY служит дополнительным подтверждением роли LFY в формировании

Ортологи гена LFY

FLORICAULA (FLO) – Antirrhinum majus NFL – Nicotiana tabacum ALF –

Характер экспрессии генов-ортологов LFY/FLO определяет тип соцветия (открытое или закрытое)

открытое

закрытое

LFY

Ген сосны NEEDLY под промотором гена LFY супрессирует мутацию lfy-26

Наличие ортологов генов LFY/FLO у голосеменных и покрытосеменных растений позволяет предполагать,

Ген TFL1 – антогонист гена LFY. Его экспрессия препятствует экспрессии LFY

Связь между структурой соцветия (открытое/закрытое) и особенностями экспрессии генов антогонистов –

Особенности морфологии мутантов ap1 и cal Arabidopsis thaliana

APETALA1 (AP1) и CAULIFLOWER

У мутанта ap1cal меристемы соцветия формируют новые меристемы соцветия, но не

Гомеозисные
мутанты
арабидопсиса

Генетический контроль дифференцировки органов цветка

ABC-модель развития органов цветка (Coen, Meyerowitz, 1991)

Перекрывание доменов экспрессии гомеозисных генов

Объяснение фенотипов мутантов с нарушением развития органов цветка с помощью АВС-модели

35S::AP3 35S::PI;
ag 35S::AP3 35S::PI
35S::AP3 35S::PI 35S::AG

AP3/PI

AP3/PI

AP3/PI

AG

Подтверждение АВС-модели путем исследования трансгенных

Структура белков, содержащих MADS-домены

MCM1 – регулятор транскрипции дрожжей
AG – гомеозисный ген

Meyerowitz, Yanofsky 1990-1995

Тип I

MADS-гены растений

Все гены АВС-классов (кроме гена АР2) имеют

AP2

1,2,3 - стадии развития цветка

ранняя

Экспрессия генов, контролирующих развитие
органов

A. wt B. ap2-9 C. 35S::MIR172a-1

Фенотип трансгенных растений 35S::MIR172a-1 повторяет

miR172 регулирует экспрессию гена AP2

sep1 sep2 sep3

Pelaz et al., Nature 2000

wt

Роль генов SEPALLATA в развитии

Дополненная модель развития цветка

SHATTERPROOF 1, 2,
SEEDSTICK

SEPALLATA 1,2,3,4

Дополненная модель развития цветка

Lohmann et al., Developmental Cell 2002

«Модель квартета»:
продукты генов

Доказано существование прямой регуляции (связывание с ДНК)

Регуляция генов, контролирующих развитие органов

Lenhard et al., Cell 2001

CLV3

WUS

Поддержание запаса стволовых клеток
в АМ побега

AG – подавляет экспрессию гена WUS в меристеме цветка

сохранение экспрессии WUS

Кадастровые гены определяют пространственные границы «кругов»:

SUPERMAN (SUP)

RABBIT EARS (RBE)

2 3 4
Ч

Cubas et al., 2009

Образец пелорического цветка из гербария К. Линнея (1744

Luo et al., 2005

Мутации в генах CYCLOIDEA и DICHOTOMA у Antirrhínum

Роль ТФ CYCLOIDEA и DICHOTOMA в формировании симметрии цветка

Мишени CYC/DICH

Анализ метилирования в локусе Lvcyc у пелорических «мутантов»льнянки с помощью чувствительных

Гиперметилирование локуса SUPERMAN у «эпимутантов» clark kent (clk)

дикий тип superman clark

Theissen and Melzer, 2007

Эволюция регуляции развития цветка

Модели, объясняющие формирование в ходе эволюции обоеполого цветка

«mostly-male» theory

«out-of-male» theory

Theissen and Melzer, 2007

Модель, объясняющая распределение областей экспрессии «мужских» и (класс

Chanderbali et al 2010

Эволюция регуляции развития цветка

Цветки с двойным венчиком (лилейные)

Цветки с двойной чашечкой

Мутации в АВС-

Модифицированная модель

Формирование цветков однодольных (Лилейные)

GLO-подобные гены

DEF-подобные гены

Tulipa gesneriana

Гены класса В

TGGLO

Lilium regale

LRDEF

LRGLOA, LRGLOB

Lilium longiflorum

LMADS1

?

Tricyrtis affinis

TriaDEF

TriaGLO

Tulipa gesneriana

Экспрессия генов класса В

Tricyrtis affinis

Asparagales:
Phalaenopsis equestris, Dendrobium crumenatum, Agapanthus praecox

Мутация viridiflora

Tulipa gesneriana
дикий тип

Double-flowered

Нерешённые вопросы модифицированной АВС модели

Muscari armeniacum

Asparagus officinalis

Tulipa gesneriana