Generativní meristémy a vývoj květních orgánů Srovnání vegetativního a generativního meristému Huala et Sussex 1993 listové primordium vegetativní meristém generativní meristém květní primordium primordia sepalů Vegetativní meristém vizualizace exprese WUS a CLV3 WUS::ALCR alcA::GFP CLV3::ALCR alcA::GUS http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme2/index.html Časování kvetení •rostliny musí „vyhodnotit“ řadu vnitřních i vnějších faktorů •životní strategie rostliny určuje, jak každý z faktorů ovlivňuje kvetení, záleží i na podmínkách lokality •jsou rozdíly mezi druhy, ale i mezi ekotypy jednoho druhu Studium regulace kvetení •faktory regulující kvetení rostlin • – vnější • – vnitřní • •mechanizmy regulace a integrace odpovědí rostlin na jednotlivé faktory • • určení doby kvetení Jak rostlina pozná vhodnou dobu ke kvetení • •nespolehlivé indikátory •• teplota •• vzdušná vlhkost •• celková úroveň osvětlení • •spolehlivé indikátory •• délka dne a noci (receptorem je fytochrom) • • mění se s ročním obdobím • mění se se zeměpisnou šířkou • David Honys - FR UK Praha Vnější faktory regulující kvetení –fotoperioda: LD (14 – 16 hod), SD (8 – 10 hod) –spektrální složení světla (indikuje hustotu porostu - v hustém porostu je kvůli absorpci světla listy nízký poměr R:FR) –dlouhodobé působení nízkých teplot v zimě (vernalizace) –stresy (abiotické i biotické) - podle typu stresu - zpomalení nebo urychlení kvetení (při urychlení = strategie vyhnutí se stresu („stress-avoidance respons“ = rostlina rychle vytvoří potomstvo a semena se rozšíří jinam, případně přečkají období nepříznivých podmínek na místě) –další signály z prostředí (úroveň minerální výživy, teplota aj.) = poměrně málo prozkoumané Kvalita světla •poměr R:FR je vnímán fytochromy (fytochrom B, A) •R složka světla je pohlcována rostlinami, FR se odráží nebo prochází •nízký poměr R:FR indukuje u řady rostlin komplex odpovědí zvaný vyhnutí se zastínění („shade-avoidance response“): –hluboko vysetá semena neklíčí –„vytahování“ rostlin v hustém zápoji –urychlení kvetení = vyhnutí se stínu formou rychlé produkce semen Vernalizace •česky jarovizace, angl. vernalization •dlouhodobé působení teplot těsně nad bodem mrazu •požadavek na vernalizaci je častý u rostlin ozimých („winter – annual“) a rostlin dvouletých („biennial“) •může být kvalitativní nebo kvantitativní (jako u fotoperiodizmu) Vernalizace •mnohdy kvetení přímo neindukuje, jen umožňuje, že vernalizované rostliny jsou následně indukovatelné ke kvetení dlouhým dnem (LD), zatímco nevernalizované zůstanou i na dlouhém dni vegetativní •kombinace vernalizace a fotoperiodizmu je dosti obvyklá •nízké teploty - vnímány v meristémech vzrostných vrcholů •vernalizované meristémy jsou citlivé na indukční podmínky (fotoperiodu apod.) i mnoho měsíců po skončení nízkých teplot •Meristémy si „pamatují“, že prošly vernalizací. Tato paměť se předává na dceřiné buňky při mitóze, ale ne při meióze. •vernalizovaný stav vykazuje znaky epigenetické dědičnosti Hess 1983 Interní faktory regulující kvetení •ontogenetické stáří rostliny - mnoho rostlin má do určitého stáří juvenilní fázi, kdy nejsou schopny vykvést ani za indukčních podmínek (nejsou kompetentní ke kvetení) •velikost/biomasa • - např. některé víceleté monokarpické druhy (pcháče apod.) vykvetou až po překročení určité velikosti přízemní růžice • - tabák (McDaniel) indukce kvetení po dosažení určitého počtu listů větších než 10 cm •hladina hormonů - hlavně gibereliny Srovnání vegetativního a generativního meristému Fig1_Meristeme_Traas_web fig2_Meristem_Traas_web http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme/ GFP vizualizace aktivity genu AINTEGUMENTA v listových primordiích konfokální mikroskop Arabidopsis SEM meristému pAINTEGUMENTA::GFP J. Traas generativní meristém květní primordium primordia sepalů reguluje proliferaci buněk a růst orgánu udržením meristematické kompetence buněk během organogeneze (Fig1_Meristeme_Traas_web.jpg) Inflorescence and floral meristems observed by scanning electronic microscopy. http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme/ (fig2_Meristem_Traas_web.jpg) Inflorescence and floral meristems observed by confocal microscopy. Cells are stained in red. GFP is expressed in floral meristems under the control of the AINTEGUMENTA promoter (green fluorescence). http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme/ Velikost stonkového apikálního meristému •většinou malá: 50–150 μm v průměru •cykasy nebo květenství slunečnice: 2-3 mm Denis: www.els.net rostlina průměr vegetativní SAM /um/ Arabidopsis thaliana 50 Helianthus annuus 70 Silene coeli-rosa 100 Chrysanthemum segetum 1400 Květní meristém pryskyřníku Ranunculus apiifolius (J. Amerika) R. Rutishauser, Univerzita Zurych Botanická zahrada Ženeva 2009 Generativní meristémy květenství artyčok slunečnice magnólie R. Rutishauser, Univerzita Zurych Botanická zahrada Ženeva 2009 Meristémy květenství •determinantní rostlina – produkuje omezený počet fytomer a pak přechází do kvetení – časté u jednoletých rostlin •indeterminantní rostlina – apikální buňky jsou permanentní iniciály • •determinantní meristém květenství – úbor – Asteraceae •indeterminantní meristém květenství – hrozen - např. u Arabidopsis – netvoří se přímo květy, ale také se netvoří listy, ale listeny a směs meristémů květenství a květů (květní meristém = nemá na bázi listen) • Indeterminantní meristém květenství hrozen u Arabidopsis meristém květenství meristém květní (nemá na bázi listen) Vývoj květního meristému IM – meristém květenství BM – „branch meristem“ – sekundární meristém větve květenství SM – „spikelet meristem“ – meristém klásku SPM – „spikelet pair meristem“ FM – květní meristém Liu C et al. Development 2009 exprese transkripčního faktoru AINTEGUMENTA (ANT) a homeoboxového genu SHOOT MERISTEMLESS (STM) v meristému květenství Arabidopsis ve stadiu 0 Arabidopsis floral meristem development. (A) Schematic of marker gene expression in early floral meristems (FMs). The stages of emerging FMs are indicated as 0, 1 or 2 (Smyth et al., 1990). In the stage 0 FM, which is also called the floral anlage, the transcription factor AINTEGUMENTA (ANT), which belongs to the plant-specific AP2/EREBP family of transcription factors, is expressed in the peripheral region, whereas the homeobox gene SHOOT MERISTEMLESS (STM) is not expressed (Long and Barton, 2000). (B) Scanning electron micrograph of the top view of an Arabidopsis inflorescence meristem (IM). The stages of emerging FMs are indicated as 1, 2 or 4 (Smyth et al., 1990). Scale bar: 100 μm. (C) Developmental routes from IMs to FMs in Arabidopsis, rice and maize. In Arabidopsis, FMs are produced either directly from primary IMs or from branch meristems (BMs; also called secondary IMs) that are derived from primary IMs. In rice, the main inflorescences terminate after the generation of several lateral branches. Each BM gives rise to spikelet meristems (SMs), each of which eventually produces a single FM. In maize, primary IMs produce spikelet pair meristems (SPMs) or BMs that further differentiate into SPMs. Each SPM produces two SMs, each of which gives rise to two FMs. Stupně vývoje květu (Kalthoff 1996) vegetativní meristém meristém květenství květní meristém květní orgánová primordia diferenciace květních primordií 1. květní geny (FT) EMBRYONIC FLOWER 2. geny meristémové identity LEAFY 3. katastrální geny 4. homeotické geny APETALA3, AGAMOUS SUPERMAN, CLAVATA1 Systém regulace kvetení u Arabidopsis •dráhy reagující na různé •podněty společně regulují •několik integrátorových •proteinů; ty stimulují tvorbu •proteinů pro identitu •meristému (nutné pro •přeměnu z vegetativního na •květní meristém) • •• na různých úrovních působí i represory (např. TFL1), •které brání vykvetení příliš •mladých rostlin květní integrátorové proteiny LEAFY (LFY), APETALA1 (AP1), CAULIFLOWER (CAL) AP2, a UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO) dlouhý den vernalizace gibereliny autonomní indukce CO FT FLC SOC1 AP1 LFY JACK 2004 FRI,PIE specifikace květního meristému Integrace faktorů regulace kvetení Arabidopsis meristemy_Hejatko fotoperioda a kvalita světla autonomní vernalizace dráha gibereliny CONSTANS LEAFY APETALA1, APETALA3 TERMINAL FLOWER UNUSUAL FLOWER ORGAN WUSCHEL AGAMOUS SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 (SOC1) FRIGIDA (FRI) PHOTOPERIOD INDEPENDENT EARLY FLOWERING (PIE) FLOWERING LOCUS C FLOWERING TIME Hejátko et al. 2005 Integrace faktorů regulace kvetení Arabidopsis Liu C et al. Development 2009;136:3379-3391 Regulation of FM identity. FM identity is regulated through the integration of multiple flowering signals, with the floral pathway integrators SOC1 and FT (blue) perceiving environmental and developmental signals through several flowering genetic pathways. During the floral transition, the FLC-SVP complex (yellow) represses SOC1 expression in the leaf and SAM and FT expression in the leaf, whereas the FT-FD complex promotes the expression of SOC1, AP1, and probably FUL in the SAM. SOC1 and AGL24 directly upregulate the expression of one another and also form a protein complex, which is localized at the SAM. In the IM, the increased activity of SOC1 and FT promotes the expression of several FM identity genes, including LFY, AP1, CAL and FUL, which in turn specify FM identity on the flanks of the IM. Green arrows indicate promoting effects, whereas red linkers indicate repressive effects. Two linked ellipses indicate protein-protein interactions. Asterisks indicate direct transcriptional regulation. AGL24, AGAMOUS-LIKE 24; AP1, APETALA1; CAL, CAULIFLOWER; FLC, FLOWERING LOCUS C; FM, floral meristem; FT, FLOWERING LOCUS T; FUL, FRUITFULL; IM, inflorescence meristem; LFY, LEAFY; SAM, shoot apical meristem; SOC1, SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS 1; SVP, SHORT VEGETATIVE PHASE. Geny identity květních orgánů Arabidopsis •nutné pro indukci květních orgánů •objeveny pomocí květních homeotických mutantů (homeotický = vztahující se ke genu ovlivňujícímu hlavní posun ve vývoji) •indukce kvetení spouští expresi genů LFY, pak AP1 = transkripční faktory = určují specifikace a umístění orgánů, proteiny mají specifickou DNA vazebnou strukturu (MADS-box) •APETALA (AP1, AP2, AP3), PISTILATA (PI), AGAMOUS (AG) ABC model regulace nrg1228-f1 Nature Reviews/Genetics geny identity květních orgánů se překrývají v případě mutace v určité doméně dochází ke změně v daném květním kruhu ABC model regulace •netvoří plodolisty ani tyčinky, ale jen květní obaly dibujo20100102_abc_model_with_examples_flowers_from_homeotic_mutant geny identity květních orgánů se překrývají chybí petaly a tyčinky In the 'ABC' model of floral organ development, organ identity is controlled by the expression of three classes of genes (A, B and C) in overlapping domains. In the first whorl, A-type genes are expressed alone and produce sepals. In the second whorl, the co-expression of A- and B-type genes results in the production of petals. In the third whorl, the co-expression of B- and C-type genes produces stamens, whereas the expression of C-type genes in the central whorl produces carpels. The SCFUFO has a key role in controlling the activation of the B-class genes, such as AP3 (but not PI), in the second and third whorls. However, so far, neither the ubiquitylation activity nor any substrate has been identified, although a role for the downstream regulator LFY has been indicated. AP3, APETALA3; LFY, LEAFY; PI, PISTILLATA; UFO, UNUSUAL FLORAL ORGANS. ABC model Arabidopsis abc_model https://www.msu.edu/course/plb/203/images/ Exprese genů identity květního meristému a genů identity květních orgánů At_floral_merist02 LFY (fialová) exprese v základech květního meristému (1, 2), meristému květů (3–7) a mladých květech (8–11). 8 = 3. stadium (4 základy sepalů) A třída AP1 (červená) v květních meristémech, sepalech a petalech a květní stopce B třída AP3 and PI (žlutá) 2. a 3. květní kruh – petaly a tyčinky C třída AG (modrá) 3. a 4. kruh – tyčinky a pestíky složení exprese vede k diferenciaci různých orgánů http://www.els.net/WileyCDA/ElsArticle/refId-a0000734.html Meristém květenství a květů vizualizace exprese LFY, AP1 LFY::ALCR alcA::GFP LFY::ALCR alcA::GUS AP1::ALCR alcA::GFP http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme2/index.html Přehled stadií vývoje květu u Arabidopsis Smyth et al., Plant Cell, 2, 755-767, 1990 Vývoj květu u Arabidopsis zakládání sepalů – periklinální dělení abaxiální a adaxiální sepal zakládání petalů– periklinální dělení (*) Bowman 1993 2 2 3 4 5 Stadia vývoje květu Arabidopsis 5 - vznik primordií petalů (P) a tyčinek, primordia delších tyčinek (LS) primordia kratších tyčinek (SS) 6 - primordia tyčinek vyklenutá, základ gynecea (G) 7 - zakládání nitky u primordií dlouhých tyčinek ( ) 8 - diferenciace prašných pouzder u dlouhých tyčinek Smyth et al. 1990 5 6 7 7 8 8 Vývoj květu u Arabidopsis iniciace gynecea * mediální prašníky = ms příčný řez semeníkem – zakládání vajíček (ov) Bowman 1993 6 7 8 9 Vývoj květu u Arabidopsis Roeder et Yanofsky 2006 7 The Arabidopsis Book stadia 1 - 5 6 - začátek tvorby gynecea 7 – gyneceum jako dutý válec 6 7 Stadia vývoje květu Arabidopsis 9 - petaly nahoře širší 9 10 – velikost květu 2x větší, petaly na úrovni kratších tyčinek 10 11 – diferenciace bliznových papil 11 12 12 – petaly na úrovni delších tyčinek Smyth et al. 1990 Vývoj květu u Arabidopsis Roeder et Yanofsky 2006 9 - základy vajíček vznik septa 8 – prašná pouzdra Vývoj květu u Arabidopsis Roeder et Yanofsky 2006 8. stadium 5. stadium 11 – papily na blizně vnitřní integument 12 – čnělka vnější integument 13 – antheze 12 13 11 gyneceum vajíčka Srovnání vegetativního a generativního meristému Arabidopsis Matsumoto et Okada Genes & Development 2001 vegetativní meristém meristém květenství meristém květu Meristém květenství a květu Clark 2001 Heisler 2005 pPIN1::PIN1-GFP Ekvivalentní geny pro květní meristémy a geny identity orgánů Arabidopsis Antirrhinum funkce LEAFY (LFY) FLORICAULA (FLO) identita meristému APETALA 1 (AP1) SQUAMOSA (SQUA) identita meristému A funkce APETALA 2 (AP2) identita meristému; A funkce TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) CENTRORADIALIS (CEN) represor genů identity meristému UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO) FIMBRIATA (FIM) koregulátor LFY APETALA 3 (AP3) DEFICIENS (DEF) B funkce PISTILLATA (PI) GLOBOSA (GLO) B funkce AGAMOUS (AG) PLENA (PLE) C funkce Schneitz et Balasubramanian (2001) Regulace hranic mezi primordii orgánů Arabidopsis hranice mezi orgány u Arabidopsis je určována působením genů CUC1, CUC2, které jsou regulovány mikroRNA mutanti vykazují rozšíření hranic mezi primordii kontrola mutant hyl1_1 mutant dcl1_9 mutant hen1_5 hraniční marker STM::ALCR-alcA::erGFP In Arabidopsis, the boundary domain that separates organ primordia is determined by the redundant action of the CUC1, 2 and 3 genes. In addition, the CUC genes promote meristem formation during normal development and during in vitro culture. Two of the CUC (CUC1 and CUC2) genes are regulated by a microRNA, miR164. miRNAs are small single stranded RNAs that post-transcriptionnally regulate gene expression. We have analysed the role of miRNAs during cell differentiation in the meristem. We have analysed the role of miR164 in the regulation of the CUC1 and CUC2 genes which underlines the importance of miRNA regulation during plant development et reveals novel roles for the CUC genes.