Blomsterudvikling er den proces, hvorved blomstrende planter udløser en kaskade af genekspression i meristemet , der resulterer i dannelsen af det reproduktive organ , blomsten . For at dette kan ske, skal planten gennemgå tre udviklingsstadier og de fysiologiske ændringer, der ledsager dem: For det første skal den nå seksuel modenhed og blive et kønsmodent individ (det vil sige overgangen til blomstring); for det andet skal transformationen af det apikale meristem skefra vegetativ til blomstret meristem (det vil sige, at en blomst skal lægges); og endelig væksten og udviklingen af blomstens individuelle organer. For at forklare mekanismen i den sidste fase blev ABC-modellen opfundet , som forsøger at beskrive det biologiske grundlag for processen i form af molekylær genetik og udviklingsbiologi .
For at starte blomstringen er der behov for en ekstern stimulus, der kan starte differentieringen af meristemet. Denne stimulus udløser den mitotiske deling af meristemceller, især på siderne, hvor blomstprimordier dannes. Den samme stimulus får meristemet til at tænde for det genetiske udviklingsprogram, hvilket vil føre til vækst af blomstermeristemet. Hovedforskellen mellem de blomster- og vegetative meristemer, ud over den åbenlyse uoverensstemmelse mellem de dannede organer, er tilstedeværelsen af hvirvlende phyllotaxis i det første , hvis essens er, at der dannes et embryo mellem de individuelle hvirvler af organer, hvoraf der er ingen forlængelse af stilken . Disse hvirvler gennemgår acropetal udvikling, hvilket giver anledning til bægerblade , kronblade , støvdragere og frugtblade . En anden forskel fra vegetative aksillære meristemer er "bestemmelsen" af blomstermeristemet: efter differentiering kan dets celler ikke længere dele sig [1] .
Blomstermeristem kan opdeles i to typer: generative meristem, hvoraf der dannes blomsterstande , og som giver anledning til blomstermeristem , som danner blomstens organer. Blomstermeristem giver anledning til en blomsts fire organer: bægerblade, kronblade, støvdragere og frugtblade ( støvblad ). Alle blomsterorganer og tilsvarende meristem er lagt som hvirvler, det vil sige, at de er placeret i form af koncentriske cirkler omkring blomstermeristem [2] . Hvilket organ, der vil blive dannet af de fire hvirvler i en blomst, bestemmes af interaktionen mellem mindst tre klasser af gener, eller rettere deres produkter, som hver udfører sin specifikke funktion. Ifølge ABC-modellen kræves klasse A-genfunktioner til initiering af perianth - hvirvler og klasse C-gener til initiering af reproduktive hvirvler. Funktionerne af disse gener er uerstattelige, og fraværet af en af dem vil betyde, at den anden vil bestemme identiteten af alle blomstermeristemer. Funktionen af klasse B gener er dannelsen af kronblade fra bægerblade i den anden hvirvel, samt dannelsen af støvdragere fra frugtblade i den fjerde hvirvel.
Det antages, at alle blomstens organer er modificerede blade eller udvækster af stilken . Denne idé blev først udtrykt af I. W. Goethe i det 18. århundrede . Goethes "blomsterteori" blev første gang offentliggjort i 1790 i essayet "Et forsøg på at forklare planternes metamorfose" ( tysk: Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren ) [3] , hvor Goethe skrev:
For vi kan lige så godt sige, at en støvdrager er et sammentrukket kronblad, og at et kronblad er en støvdrager i ekspansionstilstand; at bægerbladet er et sammentrukket stængelblad, der nærmer sig en vis grad af raffinement, og at sidstnævnte er den udvidede bægerblad under tryk af grove safter.Goethe JW von Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren. - Gotha, Ettlinger, 1790; afsnit 120.
Under overgangen til blomstring sker der dramatiske ændringer i planters livscyklus, måske endda den vigtigste af alle. Hele processen skal forløbe uden fejl for at sikre, at planten kan efterlade afkom. Overgangen begynder med lægningen af et generativt meristem, som vil give anledning til en blomsterstand eller en enkelt blomst. Denne morfogenetiske ændring består af endogene og eksogene elementer. For at kunne blomstre skal en plante f.eks. have et vist antal blade og en vis mængde total biomasse . Der er også behov for passende ydre forhold, såsom dagslængde og temperatur . I denne proces spiller fytohormoner en vigtig rolle , især gibberelliner , som kan stimulere overgangen til blomstring [4] .
Der er mange signaler , der regulerer blomstring på molekylærbiologisk niveau. Det skal dog bemærkes, at følgende tre gener spiller hovedrollen i Arabidopsis thaliana : BLOMSTENDE LOCUS T ( FT ), BLØDET ( LFY ), SUPPRESOR AF OVERUDSRYDNING AF CONSTANS1 ( SOC1 , også kaldet AGAMOUS-LIGE20 ) [5] . SOC1 koder for et MADS-box- protein, der integrerer signaler fra andre proteiner, der reagerer på dagslængde, vernalisering , saccharoseniveauer og gibberelliner [4] . SOC1 aktiverer på sin side LEAFY-genet , som koder for en transfaktor og starter hovedgenkaskaden, der fører til dannelsen af blomsterorganer. FT -genproduktet er et lille protein med en masse på 23 kDa, som er en aktivator af højere orden i forhold til SOC1 -genet. Ifølge moderne koncepter er FT-proteinet det meget mystiske florigen , hvis eksistens blev postuleret af M. Kh. Chailakhyan . Under påvirkning af gunstige forhold, såsom lyskvalitet, dagslængde og vernalisering, syntetiseres FT-proteinet i plantens blade, som kommer ind i det apikale meristem med strømmen af floemsafter , hvor det interagerer med det permanent placerede FD-protein , som er en transfaktor af zinkfingertypen . Sammen udløser disse to proteiner transformationen af det vegetative til blomstermeristem og aktiverer nedstrøms SOC1 -genet .
Et meristem kan defineres som et væv eller en gruppe af planteceller, der består af udifferentierede stamceller, der er i stand til at danne forskellige specialiserede væv. Deres vedligeholdelse og udvikling både i de vegetative og generative meristemer styres af den genetiske mekanisme for bestemmelse og celledifferentiering. Det betyder, at en række gener direkte vil regulere f.eks. vedligeholdelsen af stamceller ( WUSCHEL- eller WUS -genet ), mens andre vil have den modsatte effekt gennem den negative feedback -mekanisme , der hæmmer virkningen af dette gen (f.eks. CLAVATA- eller CLV - genet ). Begge disse mekanismer danner en feedback-loop, som sammen med andre elementer giver systemet en betydelig stabilitet [6] . WUS - genet er ansvarlig for at opretholde celledelinger af apikale meristemceller, og SHOOTMERISTEMLESS ( STM )-genet undertrykker deres differentiering, men tillader stadig datterceller at dele sig. Hvis disse celler kunne differentiere, ville de give anledning til nye planteorganer [7] .
En blomsts anatomi, dens klare organisation, er designet til at fremme seksuel reproduktion af blomstrende planter . En blomst er skabt på grund af aktiviteten af tre klasser af gener, der regulerer dens udvikling [8] :
ABC-modellen for blomsterudvikling blev først formuleret af George Hawn og Chris Summersville i 1988 [9] . Det blev først brugt som en model til at forklare samlingen af mange genetiske mønstre og mekanismer identificeret i dannelsen af en blomst i rosid underklassen ved eksemplet med Arabidopsis thaliana , og i asterider ved eksemplet med Antirrhinum majus . Begge arter har fire hvirvler (bægerblade, kronblade, støvdragere og frugtblade), hvis dannelse bestemmes af et vist udtryk af en række homøotiske gener i hver af disse hvirvler. Dannelsen af bægerblade er fuldstændig bestemt af ekspressionen af gener A, men dannelsen af kronblade kræver fælles ekspression af gener A og B. Gener B og C bestemmer støvdragernes identitet, kun gener C er nødvendige for dannelsen af frugtblade Det skal bemærkes, at gener type A og C er gensidige antagonister [10] .
Det faktum, at disse homøotiske gener bestemmer identiteten af et organ, bliver tydeligt, når et gen fra en af disse klasser, såsom A-genet, ikke udtrykkes. I Arabidopsis resulterer dette tab af genfunktion i en blomst med en hvirvel af frugtblade, en af støvdragerne og en yderligere af frugtbladene [10] . Denne metode til at studere genfunktion bruger omvendt genetik til at skabe transgene planter gennem mekanismen til lyddæmpning gennem RNA-interferens . Andre undersøgelser, der bruger direkte genetiske metoder , såsom genetisk kortlægning , analyserer fænotypen af blomster med strukturelle abnormiteter, hvorfra genet af interesse derefter klones. En sådan blomst kan have en dysfunktionel eller hyperaktiv allel af genet, der er ansvarlig for mutationen [11] .
Ud over hovedklasserne af gener A, B og C blev der fundet to yderligere gener, D og E. D-generne er ansvarlige for dannelsen af ægløsningen som en separat proces, der ikke er forbundet med dannelsen af frugtblade (pistil), som opstår efter deres lægning [12] . Virkningen af E-generne er påkrævet for alle fire verticiller, selvom det oprindeligt blev antaget, at de kun var nødvendige for udviklingen af de tre indre verticiller (funktionen af E sensu stricto- generne ) [13] . Men i en bredere forstand ( sensu lato ) er de påkrævet for alle fire hvirvler [14] . Når D-generne deaktiveres, forstyrres strukturen af æggene, og de ligner blade, og når funktionen af E sensu stricto-generne går tabt, omdannes blomsterorganerne i de tre indre hvirvler til bægerblade [ 13] . Hvis vi siger sensu lato, så bliver organerne i alle fire hvirvler bladlignende [14] . Det skal bemærkes, at proteinerne kodet af disse gener er MADS-boksproteiner [ 15] .
Metodisk blev undersøgelsen af blomsterudvikling udført i to trin. For det første blev de gener, der var nødvendige for initieringen af blomstermeristemet, nøjagtigt identificeret. I A. thaliana inkluderer disse gener APETALA1 ( AP1 ) og LEAFY ( LFY ). Derefter blev der udført en genetisk analyse af afvigende fænotyper i henhold til blomsternes relative karakteristika, hvilket gjorde det muligt at karakterisere de homøotiske gener , der er involveret i processen.
MutationsanalyseDer er fundet mange mutationer , der påvirker blomstermorfologien , selvom den systematiske analyse af de relevante mutanter har været relativt ny. Mange af dem ændrer identiteten af blomstens organer, for eksempel udvikler nogle organer sig på det sted, hvor andre skulle have udviklet sig. Det er de såkaldte homøotiske mutationer , som ligner mutationerne i HOX-generne , der findes i Drosophila . I Arabidopsis og Antirrhinum , de to taxa, som ABC-modellen er baseret på, påvirker disse mutationer altid tilstødende hvirvler. I overensstemmelse hermed kan alle mutationer opdeles i tre klasser, afhængig af hvilke hvirvler de påvirker:
DNA'et fra generne, der er ansvarlige for homøotiske mutationer i de tidligere nævnte mutanter, er blevet klonet, og deres strukturer og produkter er blevet undersøgt. Undersøgelsen brugte seriel genekspressionsanalyse for at bestemme mønsteret af genekspression i forskellige væv gennem hele udviklingen af blomsten. Stedet og sekvensen af udtryk matchede generelt dem, der blev forudsagt af ABC-modellen.
Af natur har proteinerne kodet i disse gener vist sig at være transkriptionsfaktorer . En lignende gruppe af transkriptionsfaktorer findes som forventet i gær og dyr . Denne gruppe kaldes MADS-proteiner ; navn - et akronym af de første bogstaver i navnene på de første fire medlemmer af denne familie. MADS-faktorer er fundet i alle undersøgte plantearter, selvom det ikke kan udelukkes, at andre elementer også kan være involveret i reguleringen af genekspression [8] .
I A. thaliana er klasse A repræsenteret af to gener: APETALA1 ( AP1 ) og APETALA2 ( AP2 ) [16] . AP1 er et MADS-box- protein , og AP2 tilhører CBF-familien af gener, der koder for proteiner, der har et AP2-domæne. Denne familie består af tre transkriptionsfaktorer og findes kun i planter [17] . AP1 kontrollerer initieringen af bægerblade og blomster og er også aktiv i blomstermeristemet. AP2 fungerer ikke kun i de to første hvirvler (bægerblade og kronblade), men også i de to indre hvirvler, såvel som i udvikling af æg og endda i blade og skud. Det har også vist sig, at dets udtryk er påkrævet for frøspiring. Det er meget sandsynligt, at der er en eller anden mekanisme for post-transkriptionel regulering, som påvirker dens evne til at udføre A-funktion, eller at den har funktioner i organdifferentieringsprocessen, som ikke er relateret til blomsterdannelse [17] .
I Antirrhinum kaldes et gen, der er ortologt for AP1, SQUAMOSA ( SQUA ) og påvirker også blomstermeristemet. AP2 er homolog med generne LIPLESS1 ( LIP1 ) og LIPLESS2 ( LIP2 ), som har en udskiftelig funktion og er involveret i udviklingen af bægerblade, kronblade og æg [18] .
Tre AP2 -lignende gener er blevet isoleret fra Petunia hybrida : APETALA2A ( PhaP2A ), PhAP2B og PhAP2C . PhAP2A er stort set homolog med Arabidopsis AP2 -genet , både med hensyn til primær aminosyresekvens og ekspressionsmønster, hvilket tyder på, at disse to gener er ortologer. Proteinerne PhAP2B og PhAP2C er derimod noget forskellige fra AP2, selvom de tilhører en familie af transkriptionsfaktorer, der ligner AP2-familien. Derudover udtrykkes begge disse gener forskelligt, selvom de er meget ens sammenlignet med PhAP2A . Faktisk producerer mutationer i disse gener ikke den sædvanlige fænotype svarende til nul-allelen af A-generne [19] Faktisk er der ikke fundet ægte A-funktionsgener i petunia; en del af A-funktionerne (hæmning af klasse C-gener i de to ydre hvirvler) blev stort set medieret af miRNA169 (i daglig tale omtalt som BLIND).
I A. thaliana hører kun to gener til B-genklassen: APETALA3 ( AP3 ) og PISTILLATA ( PI ), begge koder for MADS-proteiner . En mutation i mindst et af disse gener forårsager den homøtiske transformation af kronblade til bægerblade og støvdragere til frugtblade [20] . Det samme sker med ortologe gener i A. majus : DEFICIENS ( DEF ) og GLOBOSA ( GLO ) [21] . I begge arter fungerer disse proteiner som heterodimerer: AP3 og PI eller DEF og GLO. Kun i denne form kan de binde til DNA [22] .
I petunia har det GLO/PI -ækvivalente gen gennemgået en duplikation , hvilket resulterer i to gener: P. hybrida GLOBOSA1 ( PhGLO1 , også kaldet FBP1 ) og PhGLO2 (kaldet PMADS2 eller FBP3 ). Hvad angår det gen, der i funktion svarer til AP3/DEF , har petuniaen et gen med en relativt ens sekvens kaldet PhDEF , og et andet atypisk B-funktionsgen, PhTM6 . Fylogenetiske undersøgelser har tildelt de første tre gener til "euAP3"-linjen, mens PhTM6-genet er blevet tildelt den mere gamle "paleoAP3"-slægt [23] . Det skal bemærkes, at ud fra et evolutionært synspunkt synes fremkomsten af euAP3-afstamningen at være forbundet med forekomsten af tokimbladede , da B-generne fra euAP3-afstamningen hovedsageligt er til stede i tokimbladede, og generne fra paleoAP3 afstamning er til stede i enkimbladede og paleocots [24] .
Som diskuteret ovenfor er blomsterorganerne i en angiosperm eudicot fordelt i 4 forskellige hvirvler, hvorfra bægerblade, kronblade, støvdragere og frugtblade opstår. ABC-modellen siger, at disse organers anlag bestemmes af de homøotiske gener A, A+B, B+C og C. I modsætning til bægerbladene og kronbladene på Eudicot består perianthen af mange Liliaceae ( Liliaceae ) planter af to planter. næsten identiske kronbladslignende hvirvler. For at forklare blomstermorfologien af Liliaceae foreslog van Tanen et al. i 1993 en modificeret ABC-model. Denne model antyder, at klasse B-gener ikke kun udtrykkes i hvirvler 2 og 3, men også i hvirvler 1. Det følger heraf, at organerne i hvirvler 1 og 2 udtrykker klasse A- og B-gener og dermed får en kronbladlignende struktur. Modellen blev eksperimentelt valideret, da det var muligt at isolere og karakterisere gener, der var homologe med GLOBOSA- og DEFICIENS -generne fra snapdragon fra Tulipa gesneriana- tulipanen . Det viste sig, at disse gener blev udtrykt i tre hvirvler [25] .
GLOBOSA- og DEFICIENS - homologer er også blevet isoleret fra Agapanthus praecox ssp. orientalis ( Agapanthaceae ), som er fylogenetisk fjernt fra modelorganismer. Generne har fået navnet ApGLO og ApDEF . Begge har en åben læseramme og koder for proteiner 210-214 aminosyrerester lange . Fylogenetisk analyse af disse gener viste, at de tilhører B-genfamilien af enkimbladede . Begge gener viste sig at være aktive i verticillerne 1, 2 og 3 ved in situ hybridisering . Tilsammen tyder disse observationer på, at blomsterudviklingsmekanismen i Agapanthus følger en modificeret ABC-model [26] .
I A. thaliana omfatter klasse C-gener genet, der koder for MADS-proteinet , AGAMOUS ( AG ), som er involveret i dannelsen af støvdragere og frugtblade, samt i initieringen af blomstermeristemet [16] . Mutanter i AG -genet mangler androecium og gynoecium , i stedet for hvilke kronblade og bægerblade udvikler sig. Derudover forstyrres væksten af midten af blomsten, som et resultat af, at kronblade og bægerblade vokser i gentagne hvirvler.
PLENA ( PLE ) -genet , der er til stede i A. majus i stedet for AG-genet, er ikke dets ortolog. Homologen af AG -genet i A. majus er et andet gen, FARINELLI ( FAR ), som er involveret i støvknappernes udvikling og pollenmodning [27] .
Hos petunier , snapdragons og majs udføres C-genernes funktion af en række gener, der opererer på samme måde. De nærmeste homologer af AG -genet i Petunia inkluderer pMADS3 og floral-bindende protein 6 ( FBP6 ) [27] .
Klasse D gener blev opdaget i 1995. De koder for MADS-proteiner og har en specifik funktion, der adskiller sig fra alle tidligere beskrevne, selvom de har en vis homologi med gener i klasse C. Disse gener omfatter FLORAL BINDING PROTEIN7 ( FBP7 ) og FLORAL BINDING PROTEIN1L ( FBP1l ) [12] . Hos petunia har de vist sig at være involveret i udviklingen af ægløsninger. Lignende gener blev senere fundet i Arabidopsis [28] , hvor de også kontrollerer udviklingen af frugtblade, ægløsninger og endda nogle strukturer relateret til frøspredning . Disse gener kaldes SHATTERPROOF 1, 2 ( SHP ) og SEEDSTICK ( STK ). SHP - genet er repræsenteret i Arabidopsis -genomet af to meget ens kopier, der udfører den samme funktion. Ligesom det forekommer i klasse B-gener, skal SHP- og STK-proteinerne danne en heterodimer for at kunne binde sig til DNA.
Under undersøgelsen af petunia og tomater blev en interessant fænotype opnået ved RNA-interferens , resultatet af opdagelsen var, at der i 1994 blev isoleret en ny funktion i blomsterudviklingsmodellen og generne svarende til den. Oprindeligt mente man, at klasse E-gener kun var involveret i udviklingen af tre indre verticiller, men efterfølgende arbejde viste, at deres ekspression er påkrævet for alle verticiller i en blomst [13] . Fire klasse E gener er blevet fundet i Arabidopsis , omtalt som SEPALLATA : SEP1 , SEP2 , SEP3 og SEP4 . Alle fire gener udfører den samme funktion og duplikerer hinanden, dog udvikler en mutant, der er defekt i alle fire SEP -gener , ikke blomsterorganer, og hele blomsten består udelukkende af bægerblade (faktisk blade).
ABC-modellen har bragt orden og et markant løft til forskningen i blomstermorfogenese, men den siger intet om de molekylære mekanismer bag denne proces. I 2001 foreslog Günter Theissen [29] , baseret på litteraturdata og talrige observationer akkumuleret på det tidspunkt, den såkaldte "kvartetmodel". Man vidste med sikkerhed, at MADS-proteiner interagerer med DNA for at danne dimerer, som det sker med gener i klasse B og C. Baseret på det faktum, at fem klasser af gener (A, B, C, D og E) er nødvendige for blomstens udvikling ( A, B, C, D og E), foreslog Theissen, at produkterne fra blomsterorganernes identitetsgener fungerer som heterotetramere proteinkomplekser. I efterfølgende værker blev hans hypotese bekræftet og blev hurtigt generelt accepteret. Denne model gjorde det muligt at bevæge sig fra den abstrakte interaktion af gener til specifikke fysiske objekter. Ifølge kvartetmodellen kræves genprodukter A+E til dannelse af bægerblade, A+B+E for kronblade, B+C+E for støvdragere, C+E for frugtblade og D+E for æg. Hvert par af MADS-transfaktorer er i stand til at binde til DNA, der indeholder CC[A/T] 6 GG-sekvensen, forkortet som CArG-box [30] , så det antages, at kvartetten af proteiner binder til to CArG-bokse ved forskelligt DNA regioner på én gang. , hvilket får ham til at krølle sig sammen til en løkke. Derefter, afhængigt af sammensætningen af kvartetten, udløser eller undertrykker den ekspressionen af gener fra hver af DNA-regionerne. Det menes, at klasse E-gener spiller en væsentlig rolle i denne proces, hvilket sikrer bindingen af to dimerer til en tetramer. Et lignende system blev til sidst fundet i alle modelanlæg. I øjeblikket er kvartetmodellen en almindeligt accepteret model for en blomsts molekylærbiologiske udvikling [31] .
I øjeblikket er fem proteinkomplekser blevet identificeret for A. thaliana , som er ansvarlige for udviklingen af et bestemt blomsterorgan [32] :