A virágfejlődés az a folyamat, amelynek során a virágzó növények génexpressziós kaszkádot indítanak el a merisztémában , ami a szaporítószerv , a virág kialakulását eredményezi . Ahhoz, hogy ez megtörténjen, a növénynek három fejlődési szakaszon és az ezeket kísérő fiziológiai változásokon kell keresztülmennie: először is el kell érnie az ivarérettséget és ivarérett egyeddé kell válnia (vagyis át kell térnie a virágzásba); másodszor, meg kell történnie az apikális merisztéma átalakulásának vegetatívból virágos merisztémává (vagyis virágképződésnek kell bekövetkeznie); és végül a virág egyes szerveinek növekedése és fejlődése. Az utolsó szakasz mechanizmusának magyarázatára megalkották az ABC modellt , amely a folyamat biológiai alapját próbálja leírni molekuláris genetikai és fejlődésbiológiai szempontból .
A virágzási folyamat elindításához külső ingerre van szükség, amely elindíthatja a merisztéma differenciálódását . Ez az inger kiváltja a merisztémasejtek mitotikus osztódását, különösen azokon az oldalakon, ahol virágprimordiák képződnek. Ugyanez az inger hatására a merisztéma bekapcsolja a genetikai fejlesztési programot, ami a virágmerisztéma növekedéséhez vezet. A fő különbség a virágos és a vegetatív merisztémák között, a kialakult szervek közötti nyilvánvaló eltérésen túl, az elsőben a örvényes filotaxis jelenléte , melynek lényege, hogy embrió képződik, amelynek szerveinek egyes örvényei között. a száron nincs megnyúlás . Ezek a örvények akropetális fejlődésen mennek keresztül, és csészeleveleket , szirmokat , porzóleveleket és szőnyegeket eredményeznek . További különbség a vegetatív hónaljmerisztémáktól a virágmerisztéma „meghatározása”: differenciálódás után sejtjei már nem tudnak osztódni [1] .
A virágmerisztémák két típusra oszthatók: generatív merisztémák, amelyekből virágzatok képződnek , és ezekből a virágmerisztémák jönnek létre, amelyek a virág szerveit alkotják. A virágmerisztémákból a virág négy szerve jön létre: csészelevelek, corolla szirmok, porzók és karó ( bibe ). Minden virágszerv és megfelelő merisztéma örvényként van elhelyezve, azaz koncentrikus körök formájában helyezkednek el a virágmerisztéma körül [2] . Azt, hogy egy virág négy örvéből melyik szerv alakul ki, legalább három génosztály, vagy inkább termékeik kölcsönhatása határozza meg, amelyek mindegyike ellátja sajátos funkcióját. Az ABC-modell szerint az A osztályú génfunkciókra van szükség a perianth örvénylések indításához , a C osztályú génekre pedig a szaporodási örvények elindításához. Ezeknek a géneknek a funkciói pótolhatatlanok, és az egyik hiánya azt jelenti, hogy a másik meghatározza az összes virágmerisztéma azonosságát. A B osztályú gének funkciója a második örvényben a csészelevelekbõl a szirmok képzõdése, valamint a negyedik örvényben porzóképzõdés.
Úgy tartják, hogy a virág összes szerve módosult levelek vagy a szár kinövései . Ezt a gondolatot először I. W. Goethe fogalmazta meg a 18. században . Goethe „virágelméletét” először 1790-ben publikálták „Kísérlet a növények metamorfózisának magyarázatára” című esszéjében ( németül: Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren ) [3] , ahol Goethe ezt írta:
Ugyanolyan jól mondhatjuk, hogy a porzó összehúzott szirom, és hogy a szirom tágulási állapotban lévő porzó; hogy a csészelevél egy bizonyos finomodási fokot megközelítő összehúzódó szárlevél, az utóbbi pedig a durva levek nyomása alatt kitágult csészelevél.Goethe JW von Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren. - Gotha, Ettlinger, 1790; 120. bekezdés.
A virágzásba való átmenet során drámai változások következnek be a növények életciklusában, ami talán a legfontosabb. Az egész folyamatnak hiba nélkül kell lezajlania, hogy a növény utódokat hagyhasson maga után. Az átmenet egy generatív merisztéma lerakásával kezdődik, amely virágzatot vagy egyetlen virágot eredményez. Ez a morfogenetikai változás endogén és exogén elemekből áll. Például ahhoz, hogy virágozzon, egy növénynek bizonyos számú levelével és bizonyos mennyiségű teljes biomasszával kell rendelkeznie . Megfelelő külső körülmények is szükségesek, mint például a nap hossza és a hőmérséklet . Ebben a folyamatban fontos szerepet játszanak a fitohormonok , különösen a gibberellinek , amelyek serkenthetik a virágzásba való átmenetet [4] .
Számos jel létezik, amelyek molekuláris biológiai szinten szabályozzák a virágzást . Meg kell azonban jegyezni, hogy az Arabidopsis thaliana -ban a következő három gén játssza a főszerepet: FLOWERING LOCUS T ( FT ), LEAFY ( LFY ), CONSTANS1 TÚLKIFEJEZÉSÉNEK SZUPRESSZORA ( SOC1 , más néven AGAMOUS-LIKE20 ) [5] . A SOC1 egy MADS-box fehérjét kódol , amely integrálja a naphosszra, a vernalizációra , a szacharózszintekre és a gibberellinekre reagáló fehérjék jeleit [4] . A SOC1 viszont aktiválja a LEAFY gént , amely egy transzfaktort kódol, és elindítja a virágszervek kialakulásához vezető fő génkaszkádot. Az FT géntermék egy kisméretű, 23 kDa tömegű fehérje, amely a SOC1 génhez képest magasabb rendű aktivátor . A modern elképzelések szerint az FT fehérje a nagyon titokzatos florigen , amelynek létezését M. Kh. Chailakhyan feltételezte . Kedvező körülmények, például fényminőség, naphossz és vernalizáció hatására a növény leveleiben szintetizálódik az FT fehérje, amely a floemlé áramlásával belép az apikális merisztémába , ahol kölcsönhatásba lép a tartósan elhelyezkedő FD fehérjével. , amely egy cink ujj típusú transzfaktor . Ez a két fehérje együtt váltja ki a vegetatív merisztéma átalakulását virágos merisztémává, és aktiválja a downstream SOC1 gént .
A merisztéma olyan szövet vagy növényi sejtek csoportja, amely differenciálatlan őssejtekből áll , amelyek képesek különféle speciális szövetek kialakítására. Fenntartásukat és fejlődésüket mind a vegetatív, mind a generatív merisztémában a meghatározás és a sejtdifferenciálódás genetikai mechanizmusa szabályozza. Ez azt jelenti, hogy számos gén közvetlenül szabályozza például az őssejtek fenntartását (a WUSCHEL vagy WUS gén), míg mások a negatív visszacsatolási mechanizmuson keresztül az ellenkező hatást fejtik ki , gátolva ennek a génnek a működését (pl. a CLAVATA vagy CLV gén ). Mindkét mechanizmus visszacsatolási hurkot képez, amely más elemekkel együtt jelentős stabilitást ad a rendszernek [6] . A WUS gén felelős az apikális merisztémasejtek sejtosztódásának fenntartásáért, a SHOOTMERISTEMLESS ( STM ) gén pedig elnyomja differenciálódásukat, de lehetővé teszi a leánysejtek osztódását. Ha ezek a sejtek differenciálódni tudnának, új növényi szerveket hoznának létre [7] .
A virág anatómiája, világos felépítése a virágos növények ivaros szaporodását hivatott elősegíteni . A virág a fejlődését szabályozó gén három osztályának aktivitása miatt jön létre [8] :
A virágfejlődés ABC modelljét először George Hawn és Chris Summersville fogalmazta meg 1988-ban [9] . Először modellként használták számos genetikai mintázat és mechanizmus gyűjteményének magyarázatára, amelyeket a rosidok alosztályában az Arabidopsis thaliana , valamint az aszteridáknál az Antirrhinum majus példájával azonosítottak . Mindkét fajnak négy örvénye van (csészelevelek, szirmok, porzók és szárak), amelyek kialakulását számos homeotikus gén kifejeződése határozza meg ezekben a örvényekben. A csészelevelek kialakulását teljes mértékben az A gének expressziója határozza meg, de a szirmok kialakulásához az A és B gének együttes expressziója szükséges. A B és C gének meghatározzák a porzók azonosságát, a szőnyegek kialakulásához csak a C gén szükséges Meg kell jegyezni, hogy az A és C típusú gének kölcsönös antagonisták [10] .
Az a tény, hogy ezek a homeotikus gének meghatározzák egy szerv azonosságát, akkor válik nyilvánvalóvá, ha az egyik ilyen osztályból származó gén, például az A gén, nem expresszálódik. Az Arabidopsis -ban a génfunkció elvesztése egy virágot eredményez, amelynek egy örvénye van, az egyik porzó és egy további porzó [ 10] . A génfunkciók tanulmányozásának ez a módszere fordított genetikát használ a transzgenikus növények létrehozására az RNS-interferencia révén történő elnémítási mechanizmuson keresztül . Más, közvetlen genetikai módszerekkel végzett vizsgálatok , mint például a genetikai térképezés , a szerkezeti rendellenességekkel rendelkező virágok fenotípusát elemzik , amelyekből azután klónozzák a kérdéses gént. Egy ilyen virágnak a mutációért felelős gén diszfunkcionális vagy hiperaktív allélja lehet [11] .
Az A, B és C gének fő osztályain kívül további két génosztályt találtak, a D és az E. A D gének külön folyamatként felelősek a petesejtek kialakulásáért , nem kapcsolódnak a petesejt kialakulásához. karpelák (bibe), amely lerakásuk után fordul elő [12] . Az E gének működése mind a négy verticilhez szükséges, bár eredetileg azt feltételezték, hogy csak a három belső verticil kialakulásához (az E sensu stricto gének működéséhez ) szükségesek [13] . Azonban tágabb értelemben ( sensu lato ) mind a négy örvényhez szükségesek [14] . Így a D gének letiltásakor a petesejtek szerkezete felborul, a levelekhez hasonlóvá válnak, ha pedig az E sensu stricto gének funkciója megszűnik, a három belső örvény virágszervei csészelevelekké alakulnak [ 13] . Ha azt mondjuk, hogy sensu lato, akkor mind a négy örvény szerve levélszerűvé válik [14] . Meg kell jegyezni, hogy az ezen gének által kódolt fehérjék MADS box fehérjék [15] .
Módszertanilag a virágfejlődés vizsgálata két lépésben történt. Először is pontosan azonosították a virágmerisztéma beindulásához szükséges géneket. Az A. thaliana esetében ezek a gének közé tartozik az APETALA1 ( AP1 ) és a LEAFY ( LFY ). Ezt követően a virágok egymáshoz viszonyított jellemzői alapján az aberráns fenotípusok genetikai elemzését végeztük el , amely lehetővé tette a folyamatban részt vevő homeotikus gének jellemzését .
MutációanalízisSzámos olyan mutációt találtak , amely befolyásolja a virágok morfológiáját , bár a releváns mutánsok szisztematikus elemzése viszonylag új keletű. Sokuk megváltoztatja a virág szerveinek azonosságát, például egyes szervek azon a helyen fejlődnek ki, ahol másoknak ki kellett volna fejlődniük. Ezek az úgynevezett homeotikus mutációk , amelyek hasonlóak a Drosophilában található HOX gének mutációihoz . Az Arabidopsis és az Antirrhinum , az ABC-modell alapjául szolgáló két taxonban ezek a mutációk mindig a szomszédos örvényekre hatnak. Ennek megfelelően az összes mutáció három osztályba sorolható, attól függően, hogy melyik örveket érintik:
A korábban említett mutánsok homeotikus mutációiért felelős gének DNS-ét klónozták, szerkezetüket és termékeiket vizsgálták. A vizsgálat során sorozatos génexpressziós elemzést használtak, hogy meghatározzák a génexpresszió mintázatát a különböző szövetekben a virág fejlődése során. Az expresszió helye és sorrendje általában megegyezett az ABC modell által előrejelzettekkel.
Természetüknél fogva az ezekben a génekben kódolt fehérjékről kiderült, hogy transzkripciós faktorok . A transzkripciós faktorok hasonló csoportja, ahogy az várható volt, megtalálható az élesztőben és az állatokban . Ezt a csoportot MADS fehérjéknek nevezik ; név - a család első négy tagja nevének első betűinek rövidítése . MADS faktorokat minden vizsgált növényfajban találtak, bár nem zárható ki, hogy a génexpresszió szabályozásában más elemek is szerepet játszhatnak [8] .
Az A. thaliana -ban az A osztályt két gén képviseli: APETALA1 ( AP1 ) és APETALA2 ( AP2 ) [16] . Az AP1 egy MADS-box fehérje , az AP2 pedig az AP2 doménnel rendelkező fehérjéket kódoló gének CBF családjába tartozik. Ez a család három transzkripciós faktorból áll, és csak növényekben található [17] . Az AP1 szabályozza a csészelevelek és virágok beindulását, és aktív a virágmerisztémában is. Az AP2 nemcsak az első két örvényben (csészelevelekben és szirmokban), hanem a két belső örvényben is működik, valamint a fejlődő petesejtekben , sőt levelekben és hajtásokban is. Azt is kimutatták, hogy kifejeződése szükséges a magok csírázásához. Nagyon valószínű, hogy a poszt-transzkripciós szabályozásnak van valamilyen mechanizmusa, amely befolyásolja az A-funkciót ellátó képességét, vagy a szervi differenciálódás folyamatában vannak olyan funkciói, amelyek nem kapcsolódnak a virágképzéshez [17] .
Az Antirrhinumban az AP1-re ortológ gént SQUAMOSA -nak ( SQUA ) hívják, és hatással van a virágmerisztémára is. Az AP2 homológ a LIPLESS1 ( LIP1 ) és LIPLESS2 ( LIP2 ) génekkel, amelyek felcserélhető funkcióval rendelkeznek, és részt vesznek a csészelevelek, szirmok és petesejtek fejlődésében [18] .
Három AP2 -szerű gént izoláltak a Petunia hybridából : APETALA2A ( PhAP2A ), PhAP2B és PhAP2C . A PhAP2A nagyrészt homológ az Arabidopsis AP2 génnel , mind az elsődleges aminosavszekvencia, mind az expressziós mintázat tekintetében, ami arra utal, hogy ez a két gén ortológ. A PhAP2B és PhAP2C fehérjék ezzel szemben némileg eltérnek az AP2-től, bár az AP2 családhoz hasonló transzkripciós faktorok családjába tartoznak . Ezenkívül mindkét gén eltérően fejeződik ki, bár nagyon hasonlóak a PhAP2A -val összehasonlítva . Valójában ezekben a génekben a mutációk nem az A gének null alléljának megfelelő szokásos fenotípust eredményeznek [19] . az A-funkciók egy részét (a C osztályú gének gátlása a két külső örvényben) nagyrészt a miRNS169 (a köznyelvben VAK) közvetítette.
Az A. thaliana -ban csak két gén tartozik a B génosztályba: APETALA3 ( AP3 ) és PISTILLATA ( PI ), mindkettő MADS fehérjéket kódol . E gének legalább egyikében bekövetkező mutáció a szirmok csészelevelekké, a porzók pedig szárnyékká történő homeotikus átalakulását okozza [20] . Ugyanez történik az A. majus ortológ génjeivel : DEFICIENS ( DEF ) és GLOBOSA ( GLO ) [21] . Mindkét fajban ezek a fehérjék heterodimerként működnek: AP3 és PI vagy DEF és GLO. Csak ebben a formában tudnak kötődni a DNS-hez [22] .
A petúniákban a GLO/PI ekvivalens gén megkettőződésen ment keresztül , ami két gént eredményezett: P. hybrida GLOBOSA1 ( PhGLO1 , más néven FBP1 ) és PhGLO2 ( PMADS2 vagy FBP3 ). Ami az AP3/DEF - fel funkciójában ekvivalens gént illeti, a petúniában van egy viszonylag hasonló szekvenciájú gén, a PhDEF , és egy másik atipikus B-funkciós gén, a PhTM6 . A filogenetikai vizsgálatok az első három gént az "euAP3" vonalhoz, míg a PhTM6 gént a régebbi "paleoAP3" vonalhoz rendelték [23] . Megjegyzendő, hogy evolúciótörténeti szempontból úgy tűnik, hogy az euAP3-vonal megjelenése a kétszikűek megjelenésével függ össze , mivel az euAP3-vonalból származó B-gének főként a kétszikűekben, míg a A paleoAP3 vonal az egyszikűekben és a paleodicotsokban is megtalálható [24] .
Amint fentebb tárgyaltuk, a zárvatermő eudicot virágszervei 4 különböző örvényben oszlanak el, amelyekből csészelevelek, szirmok, porzók és szárnyak keletkeznek. Az ABC modell szerint ezeknek a szerveknek az anlagát az A, A+B, B+C és C homeotikus gének határozzák meg . Az Eudicot csészeleveleivel és szirmaival ellentétben sok Liliaceae ( Liliaceae ) növény periantája két részből áll. csaknem egyforma sziromszerű örvények. A Liliaceae virágmorfológiájának magyarázatára 1993-ban van Tanen és munkatársai egy módosított ABC-modellt javasoltak. Ez a modell azt sugallja, hogy a B osztályú gének nemcsak a 2. és 3. örvényben expresszálódnak, hanem az 1. örvényben is. Ebből következik, hogy az 1. és 2. örvények szervei A és B osztályú géneket expresszálnak, és így sziromszerű szerkezetet kapnak. A modellt kísérletileg validálták, amikor a Tulipa gesneriana tulipán snapdragonjából sikerült izolálni és jellemezni a GLOBOSA és DEFICIENS génekkel homológ géneket . Mint kiderült, ezek a gének három örvényben expresszálódnak [25] .
A GLOBOSA és DEFICIENS homológokat az Agapanthus praecox ssp. orientalis ( Agapanthaceae ), amely filogenetikailag távol áll a modellszervezetektől. A géneket ApGLO -nak és ApDEF -nek nevezték el . Mindkettő nyitott leolvasási kerettel rendelkezik, és 210-214 aminosav hosszúságú fehérjéket kódol . E gének filogenetikai analízise kimutatta, hogy az egyszikűek B géncsaládjába tartoznak . Mindkét gén aktívnak bizonyult az 1., 2. és 3. verticilben in situ hibridizációval.Együttesen ezek a megfigyelések arra utalnak, hogy az Agapanthus virágfejlődési mechanizmusa egy módosított ABC-modellt követ [26] .
Az A. thaliana -ban a C osztályba tartozó gének közé tartozik a MADS fehérjét kódoló gén , az AGAMOUS ( AG ), amely részt vesz a porzók és a sárkányok képződésében, valamint a virágmerisztéma beindításában [16] . Az AG gén mutánsaiból hiányzik az androecium és a gynoecium , ezek helyett szirmok és csészelevelek alakulnak ki. Emellett a virág közepének növekedése is zavart okoz, aminek következtében a szirmok és csészelevelek ismétlődő örvényekben nőnek.
A PLENA ( PLE ) gén, amely az A. majusban jelen van az AG gén helyett, nem az ortológja. Az A. majus AG génjének homológja egy másik gén, a FARINELLI ( FAR ), amely részt vesz a portokfejlődésben és a pollenérésben [27] .
A petúniákban , a snapdragonokban és a kukoricában a C gének funkcióját számos, azonos módon működő gén látja el. Az AG gén legközelebbi homológjai a petúniában a pMADS3 és a virágkötő fehérje 6 ( FBP6 ) [27] .
A D osztályú géneket 1995-ben fedezték fel. MADS fehérjéket kódolnak, és specifikus funkciójuk eltér az előzőekben leírtaktól, bár bizonyos homológiát mutatnak a C osztályú génekkel.E gének közé tartozik a FLORAL BINDING PROTEIN7 ( FBP7 ) és a FLORAL BINDING PROTEIN1L ( FBP1l ) [12] . A petúniákról kimutatták, hogy részt vesznek a petesejtek kialakulásában. Hasonló géneket találtak később az Arabidopsis -ben [28] , ahol szintén szabályozzák a szarvasmarhák, petesejtek, sőt egyes, a magvak terjedésével kapcsolatos struktúrák fejlődését is . Ezeket a géneket SHATTERPROOF 1, 2-nek ( SHP ) és SEEDSTICK -nek ( STK ) hívják. Az SHP gént az Arabidopsis genomjában két nagyon hasonló kópia képviseli, amelyek ugyanazt a funkciót látják el. Csakúgy, mint a B osztályú géneknél, az SHP és STK fehérjéknek heterodimert kell alkotniuk ahhoz, hogy képesek legyenek kötődni a DNS-hez.
A petúnia és a paradicsom vizsgálata során érdekes fenotípust kaptak RNS - interferenciával , melynek felfedezésének eredménye, hogy 1994-ben a virágfejlődési modellben új funkciót és az ennek megfelelő géneket izoláltak. Kezdetben úgy gondolták, hogy az E osztályú gének csak három belső vertikális kifejlődésében vesznek részt, de a későbbi munka során kiderült, hogy expressziójuk szükséges a virág összes vertikálisához [13] . Négy E osztályú gént találtak az Arabidopsisban, amelyeket SEPALLATA - nak neveznek : SEP1 , SEP2 , SEP3 és SEP4 . Mind a négy gén ugyanazt a funkciót látja el és megkettőzi egymást, azonban a mind a négy SEP génben hibás mutáns nem fejleszt virágszerveket, és az egész virág teljes egészében csészelevelekből (valójában levelekből) áll.
Az ABC-modell rendet és jelentős lökést hozott a virágmorfogenezis kutatásában, de semmit sem mond a folyamat mögött meghúzódó molekuláris mechanizmusokról. 2001-ben Günter Theissen [29] a szakirodalmi adatok és az addigra felhalmozott számos megfigyelés alapján az úgynevezett „kvartett modellt” javasolta. Az bizonyosan ismert volt, hogy a MADS fehérjék a DNS -sel kölcsönhatásba lépve dimereket képeznek, ahogyan ez a B és C osztályú géneknél történik. Az a tény, hogy a virágfejlődéshez öt génosztály (A, B, C, D és E) szükséges. A, B, C, D és E), Theissen azt javasolta, hogy a virágszervek azonossági génjeinek termékei heterotetramer fehérje komplexekként működnek. A következő munkákban hipotézise beigazolódott, és hamarosan általánosan elfogadottá vált. Ez a modell lehetővé tette, hogy a gének absztrakt kölcsönhatásától specifikus fizikai objektumok felé haladjunk. A kvartett modell szerint A+E géntermékek szükségesek a csészelevelek kialakulásához, A+B+E a szirmokhoz, B+C+E a porzókhoz, C+E a szarvasmarhákhoz, és D+E a petesejtekhez. Minden egyes MADS-transzfaktor pár képes kötődni a CC[A/T] 6 GG szekvenciát tartalmazó DNS-hez, rövidítve CArG-box [30] , ezért feltételezzük, hogy a fehérjék kvartettje két CArG-boxhoz kötődik különböző DNS-eknél. régiókat egyszerre. , amitől hurokká tekered. Ezután a kvartett összetételétől függően kiváltja vagy elnyomja a gének expresszióját az egyes DNS-régiókból. Úgy gondolják, hogy az E osztályú gének jelentős szerepet játszanak ebben a folyamatban, biztosítva két dimer tetramerré kötődését. Hasonló rendszert végül minden modellüzemben találtak. Jelenleg a kvartett modell a virág molekuláris biológiai fejlődésének általánosan elfogadott modellje [31] .
Jelenleg öt fehérjekomplexet azonosítottak az A. thaliana számára, amelyek egy adott virágszerv fejlődéséért felelősek [32] :