ONTOGENETIC TRANSITIONS (Leyser and Day Chap.9B)

Transkript

1

2 ONTOGENETIC TRANSITIONS (Leyser and Day Chap.9B)

3 Often supported by the increase in GAs.

4 EMF EMF embryonic embryonicflower

5 Repression of many developmental programmes (often on the level of chromatin conformation) is the major regulatory mechanism in development.

6 Transition from embryonic to postembryonic ABA supports dormant state (some mutants are viviparous) GAs help to move into germination gibberellic acid 1 mutants (unable to synth. GAs) germinate only upon GAs addition (remember effects of light on germination ) GAs inactivate/supress embryogenic develop. programme allowing progression into juvenile phase

7 leafy cotyledon 1 LEC1

8

9

10 LEC1 leafy cotyledon 1 low level of storage proteins and dessication sensitive. excised embryos in vitro develop trichoms on the cotyledons CCAAT-box TF

11 LEC1 is necessary to promote cotyledon identity and storage subst. Works in embryos = mature plants of lec1 look like WT!!

12 OX - LEC1

13 Transition to post-embryon. dev. requires inactivation! of LEC1 action. brought about by

14

15 PKL pickle mutant accum. higher amount of storage products, in small plantlets accum. of storage lipids/oil bodies in roots able to produce calluses and somatic embryos

16 LEC1 je TF příbuzný rodině CCAAT-box bílkovin. PKL je členem CHD3 rodiny regulátorů chromatinu. by pkl mutant LEC1 expression stops, but starts again PKL keeps LEC1 suppressed

17 PKL is expressed throughout the plant and ontogenesis

18 U pkl mutanta je LEC1 exprimován i po klíčení. Pkl vykazuje giberelinový fenotyp tmavě zelené listy, menší a pozdně kvetoucí (1d zpoždění)s akumulací giberelinů. pkl looks like GAs mutants dark green late flowering PKL je expr. konstitutivně tedy regulace gibereliny probíhá na úrovni bílkoviny. pkl, gai dvojitý mutant kvete o 33 dní později

19 pkl and GAs double mutants have additive phenotypes pkl flowers 1 day later gai (GAs insensitive) flowers 3 days later double pkl x gai1 flowers 33d later!

20

21

22 Phase transitions in postgermination development

23 Morphology of phytomer changes from juv. to adult to flowering.

24 bolting stem

25 Some cauline leaves are initiated before flowering.

26 Vývojové přechody během vývoje po vyklíčení Juvenilní (trichomy jen adaxiálně) a dospělé fytomery Arabidopsis se vyznačují absencí dlouživého růstu stonku. Podpůrné listeny květenství byly pravděpodobně založeny (anlage) již před přechodem do kvetení. Změny ve stavbě fytomer při vývojových přechodech.

27 CHANGES IN AXILLARY SAMs

28 1.Úžlabní pupeny zakládány dodatečně Akropetálně. 2.Simultánní zakládání listu a pupene basipetálně. 3. Úžlabní květní pupen je podepřen přechodně residuem listové anlage (ex- Prese AS1).

31

32 Identita květenství a květů Floral meristem identity = FMI př. geny

33 LEAFY --lfy lfy je je dominantní regulátor/udržovatel identity květního meristému A --mutant mutant vytváří vytváří místo místo květů květů listovité listovité sekundární sekundární výhony výhony B --35S::LFY 35S::LFY exprimuje exprimujelfy Lfy konstitutivně konstitutivně a vytváří vytváří květy květy místo místo sekundárních sekundárních výhonů výhonů z z růžice. růžice.

35 Mutant phenotype becomes less severe (also in ap1) in older nodes. however lfy x ap1 double = almost complete conversion of flowers into shoots (i.e. they can partially compensate each other)

36 lfy plant spec. TF místo květů výhony ap1 - (MADS-box homl.)- podobně, ale místo kalicha listeny, v jejichž úžlabí vznikají sekundární květy cal (MADS-box homl.)- = WT phen. ap1 cal místo květů opakovaně se zakládající mristémy květenství. tfl1 - květenství předčasně ukončeno koncovým květem. ap1x lfy - úplná konverze květů ve vegetativní výhony

37 cal homozygot je bez genotypu ap1 cal dvojitý mutat zakládá na místě květů opakovaně sekundární meristémy

38 BoCAL Locus in Broccoli, Cauliflower, and Purple Cauliflower Fig 1a. De Cicco, broccoli B. oleracea v. italica Fig 1b. Yeh Erh Fu, cauliflower B. oleracea v. botrytis Fig 1c. Violet Queen, purple cauliflower B. oleracea v. italica

39 LFY je TF specifický pro rostliny CAL a AP1 jsou MADS-box homology TFL1 je podobný inhibitoru RAF kináz (RKIP).

40 Jen LFY je exprimován ve veget. fázi slabě v listových primordiích. 24h po květní indukcí se LFY exprese přesouvá do SAM a sílí. Až po 72h se objevuje exprese AP1 a CAL.

41 Exprese AP1 je silně zpožděna a oslabena u lfy. LFY se váže do AP1 promotoru. Podobně reguluje CAL. LFY expression is very low in ap1 x cal double mutants. AP1 a CAL zase pozitivní zpětnou vazbou zesilují syntézu LFY.

42 POSITIVE FEEDBACK LOOP

43 lfy plant spec. TF místo květů výhony ap1 - (MADS-box homl.)- podobně, ale místo kalicha listeny, v jejichž úžlabí vznikají sekundární květy cal (MADS-box homl.)- = WT phen. ap1 cal místo květů opakovaně se zakládající mristémy květenství. tfl1 - květenství předčasně ukončeno koncovým květem. ap1x lfy - úplná konverze květů ve vegetativní výhony

44 TFL1 blokuje expresi FMI genů v meristému květenství TFL1 expr. slabě pod veget. SAM TFL1 expr.silně pod meristémem květenství. U mutantů lfy a ap1 cal je expr. i v pův. květních meristémech. WT TFL1 je inhibován jejich WT alelami. Jak vypadá AP1 či LFY 35S::overexpresor?

46 FMI genes initiate transcription of ABC genes of flower organ identity

47

48 TFL1 as an inhibitor of phytomere progression Architektura květenství je řízena přetlačováním mezi TFL1 a geny květní identity (FMI geny). TFL1 celkově zpomaluje přechod a průchod generativní fází. Evolučně původní se zdá být květenství ukončené terminálním květem jako u tfl1.

49 Neukončená květenství se zdají být evolučně odvozená Homolog u hledíku CEN (CENTRORADIALIS) byl rekrutován evolučně nezávisle. Není expr. ve vegetativní fázi, ale v generativní funguje jako TFL1.

50 The SELF-PRUNING gene of tomato regulates vegetative to reproductive switching of sympodial meristems and is the ortholog of CEN and TFL1 Lilac Pnueli1, Lea Carmel-Goren2, Dana Hareven1, Tamar Gutfinger1, John Alvarez3, Martin Ganal4, Daniel Zamir2 and Eliezer Lifschitz1,* 1Department of Biology, Technion-Israel Institute of Technology, Haifa 32000, Israel 2Department of Genetics and Field Crops, Faculty of Agriculture, Hebrew University, Rehovot 70700, Israel 3Department of Biological Sciences, Monash University, Clayton, Victoria 3168, Australia 4Institute for Plant Genetics, Corrensstrasse 3, D Gatersleben, Germany Development 125, (1998) 1979 SUMMARY Vegetative and reproductive phases alternate regularly during sympodial growth in tomato. In wild-type indeterminate plants, inflorescences are separated by three vegetative nodes. In determinate plants homozygous for the recessive allele of the SELF-PRUNING (SP) gene, sympodial segments develop progressively fewer nodes until the shoot is terminated by two consecutive inflorescences. We show here that the SP gene is the tomato ortholog of CENTRORADIALIS and TERMINAL FLOWER1, genes which maintain the indeterminate state of inflorescence meristems in Antirrhinum and Arabidopsis respectively. The sp mutation results in a single amino acid change (P76L), and the mutant phenotype is mimicked by overexpressing the SP antisense RNA. Ectopic and overexpression of the SP and CEN transgenes in tomato rescues the indeterminate phenotype, conditions the replacement of flowers by leaves in the inflorescence and suppresses the transition of the vegetative apex to a reproductive shoot. The SELF-PRUNING gene is expressed in shoot apices and leaves from very early stages, and later in inflorescence and floral primordia as well. This expression pattern is similar to that displayed by the tomato ortholog LEAFY and FLORICAULA. Comparison of the sympodial, day-neutral shoot system of tomato and the monopodial, photoperiod-sensitive systems of Arabidopsis and Antirrhinum suggests that flowering genes that are required for the processing of floral induction signals in Arabidopsis and Antirrhinum are required in tomato to regulate the alternation between vegetative and reproductive cycles in sympodial meristems. Key words: Growth habit, Reproductive switching, Sympodial shoot, Determinate meristem, SELF-PRUNING (SP), CENTRORADIALIS (CEN)/TERMINAL FLOWER1 (TFL1), Tomato

51

52 Indeterminate and determinate shoots of tomato. (A) Indeterminate (SP) shoot: One full-size sympodial segment is shown. It consists of three leaves and a terminal inflorescence. The third leaf of such a unit (No. 3) appears above the inflorescence because it is united with the new, fast growing sympodial unit. Arrows indicate three consecutive inflorescences. The insert features a scorpioid (zigzag) tomato inflorescence. (B) Determinate (sp/sp) shoot. Only one nodal leaf separates the first two inflorescences. Arrows mark the terminal inflorescence (TI) and an axillary shoot (AS) developing below the older inflorescence. (C) Shoot of an sp double mutant. Note the distance between inflorescences and the termination of the shoot just as in the determinate, (sp/sp) plants, in B.

53

54 SIGNAL INTEGRATION IN FLORAL TRANSITION

55

56

57

58

59

60

61 GRAFTING EXPERIMENTS IN ARABIDOPSIS

62

63

64 CO sám o sobě není florigen. Je exprimován a působí výhradně v doprovodných buňkách floemu aktivací FT. FT je exprimován v různých pletivech a aktivován různými drahami.je pravděpodobné, že působí buněčně neautonomě (23kDa). Že by součást florigenu? CO působí ještě přes další FT nezávislou dráhu.

65

66 Síť integrované signalizace

67 Fytochrom FytochromB zpožďuje zpožďuje nástup nástup kvetení kvetení proto proto mutant mutant kvete kvete časněji časněji než než WT. WT. Fytochrom FytochromA naopak naopak urychluje urychluje nástup nástup kvetení. kvetení.

68 4 x signalling pathways integrated

69

70 AGL20=SOC1

71 Autonomní dráha kvetení Geny zjišťovány jako mutanti, kteří kvetou normálně za induktivních podmínek, ale později v neindukt. podmínkách. Př. FCA RNA vaz. bílkovina; LD TF. Působí přes inhibici inhibitoru FLC tj. mutace nepůsobí zpoždění kvetení u flc.

72 AGL20=SOC1

73 K integraci drah fotoperiodické, vernalizační a autonomní dochází na úrovni genů FT a AGL20=SOC1 Integrace signalizační Integrace na úrovni promotoru INTEGRATION OF PATHWAYS ON THE PROMOTOR LEVEL.

74 Vliv giberelinů ga1 (silně postižená syntéza giberelinů) kvete i na LD pozdě. spindly (spy WT je tetratrikopept. rep. bílkovina) s konstitutivně aktivní giberelinovou dráhou kvete dříve. Gibereliny zřejmě stimulují všechny ontogenetické vývojové přechody.

75 Je izolována řada recesivních mutantů s velmi časným kvetením - dráha aktivně inhibující kvetení embryonic flower 1 a 2 (emf) - TF a VRN2 homolog early flowering 1 a 2 (elf). terminal flower2 (tfl2, homol. heterochromatin 1) často regulátory chromatinu OFTEN CHROMATIN REGULATORS

76 EMF EMF embryonic embryonicflower

77 O regulaci přechodu z juvenilní do dospělé (schopnost přejít do generativní f.) fáze vegetativního vývoje se ví, že je částečně! regulována faktory přechodu do generativní fáze (světlo, gibereliny,co,fca). hasty (hst) mutant komplementárně k např. 35S::LFY (méně dospělých listů, stejně juven. jako WT) tvoří méně juvenilních listů než WT, ale stejný počet dospělých. Tedy je inhibitorem přechodu do dospělé fáze.

78 JUVENILE AND ADULT PHASES ARE DISTINGUISHED BASED ON COMPETENCE TO FLOWER

79 SHOOT BRANCHING

80 Větvení vegetativního výhonu úžlabní pupeny - většinou iniciují několik listů a zastavují vývoj.

81 Apikální dominance a IAA Transgenní (mutantní) rostliny s vyšší konc.iaa mají snížené větvení a naopak. axr1 se sníženou citlivostí k IAA je více větvený - má nižší apikální dominanci.

82

83 AND CYTOKININS

84 úloha cytokininů zvýšená hladina stimuluje růst postranních pupenů

85 biosyntéza cytokininů probíhá silně v kořenech. je stimulována dostatkem dusíku tak růst postraních výhonů je spoluregulován dostupností živin v půdě IAA z nadzemníčásti naopak podporuje růst postranních kořenů

86 Dekapitace u hrachu vede k náhlému vzrůstu transportu cytokininů z kořenů do nadzemního výhonu. Inhibice transportu cytokininů není ovšem hlavním účinkem IAA - dekapitace funguje i u rostlin oddělených od kořenů. IAA ALSO INHIBITS SYNTHESIS OF CYTOKINS

87 Mutants Arabidopsis max (more axillary growth) Pea rms (ramosus) Petunia dad (decreased apical dominance)

88 Mutace ramosus (rms) u hrachu je jich známo 5. Původně nejstudovanější je rms1. Dekapitovaný rms1 nereaguje na bloček s IAA - tato funkce je níže v regulaci apikální dominance (pod IAA).

89 RMS1 homol. to MAX4 and DAD1

90

91 RMS1 se podílí na vzniku akropetálně transportovaného signálů (z kořenů do nadzemí) WT podnož působí WT větvení na rms1 roubu. WT roub je neovlivněn rms1 podnoží. Kousek WT stonku uprostřed upraví větvení jen nad ne pod. u rms1 je 15x nižší transport cytokininů - tj. RMS1 nepůsobí přes cytokininy.

92 Koordinace růstu rostliny vnitřním a vnějším prostředím.

93 MAX4 (more axillary branching) je homolog MAX3(RMS1)

94 Fig. 1. Branching phenotype of 35-d-old WT Arabidopsis and max4 mutant.

95

96

97

98

99 max3 nemá podstatně změněny hladiny IAA a ABA. max3 má chloroplastový lokalizační signál - transitní peptid.

100 a je importován do plastidů a hromadí se ve stromatu

101 HPLC GC induk. induk. Bakterie exprimující MAX3 štěpí karotenoidy

102

103

104

105

106

107

108

109

110

111 also rice got MAX homologues

112 Model Ottoline Leyser 2007

113 Fig. 2. Model for MAX pathway function through the regulation of auxin transport capacity. In WT stems the MAX pathway down-regulates auxin transporters; thus auxin transport capacity in the stem is limited and saturated by apically-derived auxin. Buds are unable to export auxin; therefore they cannot outgrow. In max mutants there is more auxin transport capacity in the stem, and this means that the buds are able to export auxin and outgrowth (indicated by the yellow arrow). Green squares represent auxin transporters and the arrows represent auxin that is being carried down the stem. 70 Ongaro and Leyser April

114 Fig. 3. Model for the hormonal control of shoot branching in Arabidopsis. Auxin is transported down the stem in the polar transport stream. The capacity of the stream is regulated by the MAX pathway, in which MAX3, MAX4, and MAX1 act in the synthesis of a novel upwardly mobile hormone that regulates PIN1 levels through MAX2. For bud activation, buds must be able to export auxin and thus MAX-limited auxin transport capacity in the stem prevents bud outgrowth. In addition, the concentration of auxin in the polar transport stream is monitored by the AXR1/AFB pathway to regulate cytokinin synthesis. High auxin down-regulates cytokinin synthesis, inhibiting bud activation. The model predicts, rather paradoxically, that because of the increased capacity for auxin transport in the stem of max mutants, there will be high auxin and thus low cytokinin in the stem, but none the less increased branching, because of the high transport capacity (see Fig. 2). Orthologues of the MAX genes in pea (RMS) and petunia (DAD) are written in brackets.

115 Závěry kap. 9 Setrvalá produkce fytomer tvořících rostlinný organismus je umožněna neukončeností vývoje meristémů; to je předpokladem vývojové plasticity rostlin. Tato neukončenost souvisí s udržováním dynamické rovnováhy mezi tvorbou a diferenciací buněk v meristému. Typ fytomer je ovlivněn vývojovým stádiem rostliny. Vývojové, fyziologické a vnější procesy rozhodují o tom kolik fytomer vznikne a kdy dojde k přechodu do nové vývojové fáze (z vegetativní do generativní).

116 Srovnání vývoje rostlin a živočichů

117 vývoj květu odpovídá mechanismu založenému na kaskádách transkripčních faktorů. vývoj rostlinného embrya již podstatně méně. není podobnost mezi embryogenezí živočichů a vývojem květu důkazem pokračující embryogeneze u rostlin?

118 U živočichů i rostlin hraje klíčovou roli represe genové exprese na úrovni chromatinu (polycomb - např. CLF).

119 Diferenciace založená na asymetrickém dělení buňky

120 Diferenciace založená na mezibuněčné signalizaci Mechanismy tvorby uspořádání jsou vždy založeny na zpětnovazebných regulačních obvodech, které zesilují počáteční malé rozdíly.

121 U živočichů hraje důležitou roli tkáňová kompartmentalizace (závislá na mezibuněčné adhezi), která zabraňuje nepatřičným migracím. BOUNDARIES AGAINST MIGRTIONS

122 ektopická lokalizace anteriorních buněk v posteriorní zóně s morfogenem WG značí nové místo překryvu s DPP a novou špičku křídla DPP=decapentaplegic anterior - poster. grad. WG=wingless dorso-vetral grad.

123 Pro přežívání živočišných buněk jsou důležité tzv. "přežívací signály" od okolních buněk. Jinak nastupuje PCD. Apoptóza působená nedostakem "přežívacích signálů" je hlavním rysem morfogeneze/vývoje živočichů.

124 rostliny mají různé cesty získávání živin a energie.

125 Totipotence Totipotencea neukončená neukončenáembryogenese embryogenese rostlin rostlin

126 Závěr Přes nezávislý vznik mnohobuněčnosti a nezávislou evoluci mají mechanismy regulující vývoj mnohobuněčných rostlin a živočichů důležité společné rysy na molekulární úrovni v určování buněčného vývojového osudu a na teoretické/biokybernetické úrovni při vzniku pravidelných uspořádání. Jsou mezi nimi ovšem také fundamentální rozdíly vyplývající z odlišnosti vývojových constrains vyplývajících z přisedlosti a autotrofie rostlin. Tím nejdůležitějším rysem odlišujícím vývoj rostlin a živočichů je kontinuální (celoživotní) organogeneze rostlin na rozdíl od omezené terminální organogeneze živočichů. Tím je umožněna nesrovnatelně větší morfologická plasticita rostlin.

127 Haseloff/teaching/MCBPart1B/ Lecture1.html

128