Bi8240 GENETIKA ROSTLIN doc. RNDr. Jana Řepková, CSc. repkova@sci.muni.cz Prezentace 02 Reprodukční vývoj – Indukce kvetení Reprodukční vývoj rostlin 1. Indukce kvetení a tvorba květů 2. Tvorba reprodukčních orgánů a gamet 3. Opylení, oplození a embryogeneze 4. Klíčení zárodku a vegetativní vývoj 5. Generativní vývoj Přenos signálu zprostředkovaného světlem Dlouhý den – 16 hod. fotoperioda – 9 listů/23 dní do kvetení Krátký den – 29 listů/47 dní do kvetení Indukce kvetení Arabidopsis thaliana Přeměna vegetativního meristému v meristém květenství Morfologická podstata indukce kvetení Fáze přechodu do generativního stavu 1. Přepnutí z neorganizovaného vegetativního růstu do organizovaného generativního růstu. Nastartování dalších změn. 2. Přeměna vegetativního meristému v meristém květenství. 3. Přeměna meristému květenství v květní meristém. Tvorba prekurzorů květních orgánů a jejich diferenciace. 4. Funkční fáze, zrání reprodukčních orgánů, opylení a oplození. Geny kódující regulaci vývoje květů 1. Geny regulující přechod z vegetativního růstu do generativního 2. Geny podmiňující zakládání meristémů květenství 3. Geny regulující tvorbu a identitu květních orgánů 4. Geny regulující růst květních orgánů a jejich zrání Geny reglující přechod z vegetativního stavu do generativního Krátký den – exprese CO Exprese CO a AP2 transkripční faktor 1. Autonomní dráha Identifikováno více než 80 lokusů, které řídí dobu do kvetení. Klonované geny: – FLC FLOWERING LOCUS C  supresor kvetení  pozdní kvetení Geny aktivátory – rané kvetení – FCA – FLK FLOWERING LOCUS KH DOMAIN – FLM FLOWERING LOCUS M – LD LUMINIDEPENDENS – FY, FPA – FLD FLOWERING LOCUS D 2. Vernalizační dráha FRI FRIGIDA pozdní kvetení, regulace kvetení podle chladového působení Vernalizace mimo jiné způsobuje metylaci cytosinů histonu H3, aktivace exprese dalších genů ovlivňujících kvetení. Genotyp rostlin FRI Vliv vernalizace – chladového působení – Geny VRN1, VRN2, VIN3 – VERNALIZATION1, 2 – VERNALIZATION INSENSITIVE3 Mechanizmus regulace FLC COLD INDUCED LONG ANTISENS INTRAGENIC RNA COLD ASSISTED INTRONIC NONCODING RNA (10 dní od začátku vernalizace) 3. Délka dne - fotoperioda Signály zprostředkované světlem (fotoreceptory) 1. Fytochromy: PHYA, PHYB, PHYC, PHYD, PHYE – 600–700 nm, červené a dlouhé červené světlo 2. Kryprochromy: CRY2, CRY2 – 400–500 nm, modré a UV světlo 3. Fototropiny: PHOT1, PHOT2 – modré světlo, UV-A 4. Fotoreceptory pro UV-B spektrum světla – AtUVR8 Struktura a funkce fytochromů Reverzibilní změny při fytochromové aktivitě 2 kinázové domény na C konci 2 stejné polypeptidy 120-127 kD Absorpční spektra Tetrapyrolový chromofor = pigmentoproteinový komplex Funkce genů pro fytochromy Geny PHYA a PHYB regulují dobu do kvetení Mutant phyB je raně kvetoucí – PHYB zpožduje kvetení. PHYA urychluje kvetení prostřednictvím světelných signálů Klasifikace fotoreceptorů A. thaliana a jejich funkce Current Opinion in Plant Biology 2003, 6, 446–452 Pozitivní a negativní regulace morfogeneze světlem Geny pro pozitivní regulaci Promotory mají motivy LRE (light regulatory elements) Geny pro negativní regulaci fotomorfogeneze COP – CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENIC DET – DE/ETHIOLATED FUS – FUSCA Vnější signál – světlo Fotoreceptory Klíčová složka fytochromové signalizační kaskády Regulace genu CONSTANS Krátký den Dlouhý den GIGANTEA CYCLING D OF FACTOR1 Supresor CO Regulace transkripce CO Posttranskripční regulace CO DAY NEUTRAL FLOWERING FLAVIN BINDING, KELCH REPEAT, F-BOX1 4. Kontrola růstovými hormony Kyselina giberelová (GA), cytokininy – aktivují kvetení GA1 GA REQUIRING1 – aktivátor – rané kvetení v podmínkách krátkého dne – GA je limitující pro kvetení v podmínkách krátkého dne Mutanti ga1–3 deficientní, v podmínkách dlouhého dne kvete stejně jako standard, nekvete za krátkého dne GID1A, GID1B, GID1C – aktivátor GAI GA INSENSITIVE – supresor GNC, GNL – supresory Molekulární mechanizmy regulace indukce kvetení Cellular and Molecular Life Sciences 2011, 68, p. 2013–237 Geny zeleně Proteiny žlutě Geny podmiňující tvorbu meristémů květenství LFY (LEAFY) – blokuje vegetativní růst a zakládání listových primordií – Mutantní fenotyp: částečná přeměna květních meristémů v listy, bohaté květenství. Květy zelené TFL (TERMINAL FLOWER) – zachování meristému květenství – Mutantní fenotyp: přeměna meristému květenství v květní meristém leafy Exprese 35S::LFY AP1 (APETALA1) 1. Zakládání květních meristémů 2. Přeměna květních primordií v determinované struktury Mutantní fenotyp: – tvorba axilárních květů – homeotická přeměna sepal v listy Mutace ap1 (i ap2) zvyšují fenotyp lfy LFY + AP1 + TFL rané funkce ve specializaci květního meristému Geny regulující tvorbu a identitu květních orgánů AP1, AP2 – Mutantní fenotyp: homeotická přeměna sepal v listy a petal v tyčinky AP3 – Mutantní fenotyp: homeotická přeměna petal a tyčinek PI PISTILLATA – Mutantní fenotyp: homeotická přeměna petal a tyčinek AG AGAMOUS – Mutantní fenotyp: homeotická přeměna tyčinek a pestíků Vliv na strukturu květ. orgánů vždy ve 2 květních kruzích SUP SUPERMAN Časová a prostorová regulace genové exprese během vývoje květu MCM1 kvasinek Agamous rostlin Deficiens rostlin SRF savčí Prostorová regulace genové exprese během vývoje květů Homeostaze vývoje květů Exprese genů ve dvou sousedních kruzích ABC model 1.Exprese genů B je nezávislá na genech A, C 2. Fenotypy mutantů bez funkčních genů C mají zvýšenou funkci genů A a naopak. Geny A a geny C fungují antagonisticky. Antagonismus mezi geny A a C agamous AGAP2 apetala2 pistilata apetala3 PI Revize modelu ABC 1. SUP – negativní regulátor funkce genů B (PI, AP3). Expanduje tvorba tyčinek do 4. kruhu. Epigenetická regulace hypermetylace SUP = mutace sup 2. Neznámý gen X – skupina A Arabidopsis thaliana x Antirrhinum majus Podobné geny se podílejí na tvorbě zcela odlišných květů Geny regulující růst květních orgánů a jejich zrání Geny kódující samičí gametofyt Zakládání a vývoj vajíček – 12 lokusů, regulace buněčné diferenciace – ANT AINTEGUMENTA – BEL1 BELL1 – ATS ABERRANT TESTA SHAPE Megasporogeneze – MAC1 meióza probíhá jen u 1 mateřské buňky megaspóry Pozdější fáze SIN1 – SHORT INTEGUMENTS1 Megagametogeneze – Determinace tvorby zralého embryonálního vaku – identifikace řady mutantů Mutace fem2 – zastavení vývoje ve stadiu jedné buňky Mutace gfa – centrální jádra nesplývají Oplození – SIN1 – normální průběh embryogeneze Geny kódující samčí gametofyt Mikrosporogeneze a mikrogametogeneze APT – ABORTIVE POLLEN DEVELOPMENT AT – ANTHERLESS CMS a geny pro obnovu fertility 150 druhů rostlin – kukuřice, slunečnice, rýže, petúnie, fazol Geny pro CMS – mitochondriální genom, CMS-T systém u kukuřice, gen T-urf13, protein URF-13 Geny obnovy Rf1, Rf2 – jaderný genom, dominantní alely redukce proteinu URF-13 (tvoří aldehydy toxické pro mitochondrie) Rf2 – tvorba alkoholdehydrogenázy odstraňuje toxické látky CMS a geny pro obnovu fertility Výukovou pomůcku zpracovalo Servisní středisko pro e-learning na MU http://is.muni.cz/stech/