Diapositiva 1

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GENI DI IDENTITA MERISTEMATICA
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• FIORE complesso apparato di strutture
• funzionalmente specializzate e
• radicalmente diverse
  dallorganismo
• vegetativo sia nella forma che
  nei tipi
• cellulari
• La transizione verso la fioritura implica
  cambiamenti radicali nel destino
• delle cellule dei meristemi apicali
• Alterazione del destino delle cellule
  meristematiche cambiamento di fase
• Linsieme degli eventi che portano lapice del
  germoglio a produrre fiori si
• indica come

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In Arabidopsis a seguito della INDUZIONE
FIORALE Il meristema vegetativo passa dalla
produzione ai suoi lati di foglie e primordi
ascellari alla produzione di un numero
indeterminato di PRIMORDI FIORALI Questo
MERISTEMA APICALE si chiama MERISTEMA
DELLINFIORESCENZA Il MERISTEMA FIORALE si
differenzia da un gruppo di cellule che si
trovano ai lati del meristema dellinfiorescenza
Il programma di sviluppo è diverso in quanto il
meristema dellinfiorescenza è a crescita
indeterminata mentre quello fiorale è a crescita
DETERMINATA
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• SAM è convertito in meristema
• dellinfiorescenza in risposta ad
• uno stimolo fiorale
• Il meristema dellinfiorescenza è
• uno stato transitorio dalla crescita
• vegetiva a quella riproduttiva
• Il meristema dellinfiorescenza
• genera il MERISTEMA FIORALE

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MI
SAM
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MERISTEMA DELL INFIORESCENZA E MERISTEMA FIORALE

I primordi fiorali si originano nella stessa
posizione nella quale si formano i primordi
fogliari durante la crescita vegetativa la
fillotassi non è alterata
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SAM indeterminato Organogenesi AM inattivo
MI apicale e ascellari attivi e indeterminati
MF prodotti ai lati dei MI formazione del fiore
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ic
is
ds
cima
spiga a racemo
Infiorescenza di arabidopsis (indefinita)
Le infiorescenze possono essere determinate o
indeterminate (semplici e composte)
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Infiorescenza definita
Infiorescenza indefinita
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microscopio confocale
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La transizione è promossa da una classe di geni
noti come GENI DI IDENTITA MERISTEMATICA
(FMI) In Arabidopsis LEAFY (LFY) APETALA1
(AP1) CAULIFLOWER (CAL)
MADS box FRUITFULL (FUL) TERMINAL
FLOWER1 (TFL1) AGAMOUS (AG) APETALA 2 (AP2)
sono anche geni omeotici
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MADS MCM1(lievito), AGAMOUS (arabidopsis),
DEFICIENS (anthirrinum), SRF (uomo)
In Arabidopsis oltre 100 geni MADS BOX Animali
o funghi ne possiedono un numero molto minore
(Drosophila 2) Nelle piante molti coinvolti
nello sviluppo del fiore APETALA1, APETALA3,
PISTILLATA, AGAMOUS, SEPALLATA1,
SEPALLATA2, SEPALLATA3
5 classiMa, Mb, Mg, Md e MIKC
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GENI MADS box in specie diverse
Anthirrinum
petunia
arabidopsis
pomodoro
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MADS-box
In rosso
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(No Transcript)
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induzione
ABC
FMI
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FMI Identificati dalla scoperta di mutanti loss
of function in cui i fiori sono rimpiazzati da
strutture intermedie tra germoglio vegetativo e
fiorale
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MUTAZIONI lfy, ap1, cal compromettono la capacità
del meristema vegetativo di svilupparsi in
meristema fiorale
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Mutante lfy foglie al posto degli organi
fiorali, con disposizione spiralata
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ap1
lfy ap1
ap1 fiori secondari allascella degli organi del
I verticillo fiori con conversione omeotica
sepali in foglie e perdita dei sepali lfy ap1
transizione fiorale bloccata meristemi
delinfiorescenza
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In Anthirrinum FLORICAULA (FLO) SQUAMOSA
(SQUA)
LEAFY AP1
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LEAFY (LFY) La sua espressione precede la
transizione fiorale ed è massima nei
giovani meristemi fiorali Mutanti lfy sviluppano
foglie e germogli invece di fiori LFY è
necessario e SUFFICIENTE per conferire identità
fiorale ai primordi emergenti l espressione
ectopica e costitutiva determina la
trasformazione precoce di foglie e gemme
ascellari in FIORI Non è un gene MADS-box
fattore di trascrizione non omologo a nessuna
classe nota
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• LEAFY è il principale interruttore tra i geni di
  identità
• meristematica interrompe la crescita vegetativa
  e accelera
• la transizione alla fase riproduttiva
• La sua espressione precede quella degli altri
  geni
• È espresso ai lati del meristema
  dellinfiorescenza, dove si svilupperanno i
• meristemi fiorali prima di ogni diversificazione
  morfologica

LFY si lega a elementi cis nel promotore di AP1 e
AGAMOUS (CCANTGG) AP1 e AGAMOUS sono geni
omeotici responsabili della formazione degli
organi del fiore
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• LEAFY
• è allincrocio dei diversi pathways di induzione
• I livelli di espressione di LEAFY correlano con
  la forza di diversi segnali che inducono la
  fioritura
• Regolato da GAs
• Elemento di risposta a GA nel promotore
• Si lega AtMYB33 i cui livelli aumentano
  nellapice durante la transizione fiorale
• Regolato da CONSTANS
• Meccanismo non noto forse mediato da SOC1 e/o
  AGL24
• Regolato da FT
• Ridotti livelli di LFY in mutanti ft

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SOC1 translocated to nucleus by interaction with
AGL24 directly regulates LEAFY. Lee J, Oh M, Park
H, Lee I. National Research Laboratory of Plant
Developmental Genetics, Department of Biological
Sciences, Seoul National University, Seoul,
151-742, Korea. Thus, we propose that the
heterodimerization of SOC1 and AGL24 is a key
mechanism in activating LFY expression. Plant J.
2008 May 9 Epub ahead of print
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APETALA 1 (AP1)
LEAFY comincia ad essere espresso a livello del
meristema della infiorescenza nei siti in cui
emergono i meristemi fiorali (MF) ma prima della
loro comparsa Successivamente, quando
cominciano a formarsi i MF viene espresso AP1
con un profilo spaziale sovrapponibile a
LEAFY Dal doppio mutante lfy ap1, a
transizione fiorale bloccata RIDONDANZA
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mv
mf
Pattern di espressione dei geni MI
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Espressione ectopica di AP1 In mutanti lfy
conversione del SAM in meristema fiorale
Espressione ectopica di LEAFY in mutanti ap1
mantengono le caratteristiche del mutante ap1
AP1 agisce a valle di LEAFY
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• i principali regolatori di AP1 sono
• LEAFY regolazione diretta
• dimostrato il binding in vitro di LFY a sequenze
  regolative di AP1 e CAL
• mediante immunoprecipitazione della cromatina
• FT mutanti lfy esprimono AP1, doppi mutanti lfy
  ft
• non esprimono AP1

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Riassumendo

• LEAFY e AP1 svolgono un ruolo primario
  nelliniziare il programma di
• sviluppo fiorale
• Mutazioni loss of function in ciascuno dei due
  provocano conversione omeotica
• fiorale/vegetativa
• Mutazioni in entrambi i geni non consentono
  lattuazione del programma fiorale
• Entrambi codificano fattori di trascrizione
  fortemente espressi nei primordi fiorali

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CAULIFLOWER (CAL) AP1 e CAL hanno sequenze
strettamente correlate e un pattern di
espressione simile allinizio espressione in
tutto il meristema, poi solo nel I e II
verticillo del fiore AP1 e CAL mostrano
RIDONDANZA nella specificazione della identità
fiorale del meristema Fenotipo
molto più evidente in doppi mutanti ap1
cal meristema dell infiorescenza a crescita
indeterminata (strutture
simili a cime di cavolfiore)
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Il gene CAULIFLOWER del cavolfiore coltivato ha
un codone di stop che inattiva il prodotto
genico Ciò previene la transizione
dellinfiorescenza a meristema fiorale
generando la ripetizione di meristemi
dellinfiorescenza
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FRUITFULL (FUL)
FUL correlato strutturalmente a AP1 e CAL
Up-regolato nel MI ma escluso inizialmente dal
MF FUL primo gene espresso nel MI dopo la
transizione fiorale Mutante ful non mostra
alterazioni nel MI Tripli mutanti ap1 cal ful
assomigliano ai doppi mutanti ap1 cal ma con
tratti vegetativi più marcati
RIDONDANZA con AP1 e
CAL In mutanti ap1, FUL è espresso anche nel
MF AP1 reprime lespressione di FUL nel MF

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APETALA 2 (AP2) Mutanti ap2 solo difetti
omeotici sepali e petali Ma ap1 ap2 e lfy ap2
fenotipo più severo dei singoli mutanti
Anche AP2 contribuisce alla specificazione dei
meristemi fiorali
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TERMINAL FLOWER 1 (TFL 1) Gene di identità del
meristema dellinfiorescenza Arabidopsis a
infiorescenza indeterminata Il meristema
dellinfiorescenza rimane sempre nella zona
apicale I meristemi fiorali si sviluppano
lateralmente non si forma un fiore terminale
I mutanti tfl formano un fiore terminale
Nei mutanti tfl AP1, CAL e LFY sono espressi
ectopicamente nel MI
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(No Transcript)
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TERMINAL FLOWER 1 (TLF1) Il fenotipo dei
mutanti tfl1 indica che ha funzioni opposte a
LFY, AP1/CAl Previene la
trasformazione in meristema fiorale del meristema
dellinfiorescenza Mutanti
loss of function tfl1 formano precocemente fiori
terminali Lespressione costitutiva di TFL1
(35STLF1) ritarda la formazione dei fiori
38
(No Transcript)
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LFY, AP1, CAL specificano lidentità di MF TFL1
specifica lidentità di MI Pattern di
espressione di TFL1 in accordo con la funzione di
regolatore negativo di LFY, AP1, CAL Espresso
nel centro del meristema ed escluso dai
primordi AP1 CAL e LFY sopprimono
lespressione di TFL1 nel meristema fiorale
40
mv
mf
Pattern di espressione dei geni MI
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(No Transcript)
42
TFL1 strutturalmente è un omologo di FLOWERING
LOCUS T (FT) ma la funzione è opposta FT e
TFL1 sono omologhi alle PEBP ( phoshatidyethanolam
ine binding proteins) che negli eucarioti
regolano il signaling in processi di crescita e
sviluppo
La raf-kinase inhibitor protein è una PEBP
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TFL1 59 di identità con FT la sostituzione di
un singolo aa FT (Y85H) TFL (H88Y) è
sufficiente ad invertire le funzioni tra i due
geni
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Modello interazione TFL1 FT con target
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• TRANSIZIONE FIORALE
• Una volta avviata la transizione è irreversibile
• Ciò è assicurato da interazioni cooperative tra i
  geni di identità meristematica
• LFY induce AP1 e CAL
• CAL e AP1 regolano positivamente LFY
• LFY, AP1 e CAL regolano negativamente TFL1 (e
  AGL24)
• In questo modo AP1 e CAL mantengono elevati i
  livelli di espressione di LFY
• una volta indotto
• Le interazioni antagonistiche tra TFL1 e geni FMI
  fanno si che TFL1 non sia
• espresso nel meristema fiorale e LFY, AP1e CAL
  non siano espressi nel
• meristema dellinfiorescenza

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• LEAFY è espresso precocemente nel meristema
  dellinfiorescenza
• e dà inizio al programma differenziativo
• LEAFY promuove lespressione di AP1/CAL nei
  primordi fiorali
• (prodotto genico di LFY si lega al promotore del
  gene AP1)
• LEAFY AP1/CAL promuovono reciprocamente la loro
  espressione
• COOPERATIVITA assicura che tutti i geni
  necessari per la
• transizione siano presenti ad elevati livelli
  nello stesso momento

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(No Transcript)
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• ATTIVAZIONE DEI GENI OMEOTICI (ABC)
• dati principalmente per LEAFY
• richiesto per la formazione di petali e stami
• INDUCE AP1
• INDUCE AP3 (LFY si lega al promotore di AP3)
• Partecipa allinduzione di AG (WUSCHEL)
• INDUCE i geni SEP (forse)

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AP1 (CAL ) Richiesto per lo sviluppo di sepali
e petali e indirettamente per lo sviluppo di
stami e carpelli poiché attiva lespressione di
AGAMOUS (AG)
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TERMINAZIONE Il meristema fiorale è a crescita
determinata Una volta completato il
differenziamento del fiore il meristema cessa di
accrescersi AGAMOUS è linterruttore per il
segnale di terminazione Il segnale coinvolge la
funzione di WUSCHEL
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Il meccanismo di terminazione è determinato
dallinterazione WUS / AG
Nel mutante ag-3 gli stami sono sostituiti da
carpelli e i carpelli da una reiterazione della
sequenza sepali petali. Indica la presenza di un
meristema a crescita Indeterminata al centro del
fiore .
Nel mutante wus-1 la situazione è opposta. Si ha
terminazione prematura della attività del
meristema e sviluppo incompleto del fiore
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AG antagonizza la funzione di WUSCHEL di
mantenimento del meristema fiorale Wuschel è
richiesto per il mantenimento di tutti i
meristemi È inizialmente espresso nel MF ma i
livelli calano quando è attivato AG e scompare
quando si formano i primordi dei carpelli
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Lespressione ectopica di WUS porta alla
formazione di stami e carpelli ectopici in
maniera AG dipendente.
WUSCHEL attiva lespressione di AG
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Perché lattivazione di AG da parte di WUS
avviene solo in FM e non in SAM?
È richiesto un fattore aggiuntivo
LEAFY
gene di identità del meristema fiorale (FM), non
presente nel meristema vegetativo (SAM)
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Il meccanismo coinvolge il sistema
WUSCHEL/CLAVATA

Allinizio dello sviluppo fiorale WUSCHEL attiva
la trascrizione di AGAMOUS AG successivamente
reprime la trascrizione di WUS determinando il
differenziamento delle ultime cellule meristemati
che
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Terminazione fiorale attraverso il feedback
WUSCHEL/AGAMOUS
nella fase di formazione dei carpelli AG (Y)
reprimono WUS e si ha la terminazione del
meristema
fase iniziale WUS e LFY (x) attivano
lespressione di AG Nella zona in blu
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DIMOSTRATO che WUSCHEL e LEAFY si legano a
sequenze enhancer distinte sul secondo introne
di AGAMOUS Come fa il meccanismo regolativo ad
agire al momento giusto? Cioè quando è stato
completato il differenziamento dellultimo
verticillo? I LIVELLI DI ESPRESSIONE di AG
aumentano durante tutto il differenziammento for
se necessario un valore di soglia di AG per
linibizione dellespressione di WUS , che si
raggiunge solo dopo il differenziamento dei
carpelli Oppure altro fattore regolativo
necessario (Y) che compare negli stadi finali
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meristema vegetativo
meristema fiorale
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In conclusione

• La formazione del fiore richiede lesecuzione di
  diversi
• programmi di sviluppo
• Specificazione della posizione del nuovo fiore
• Formazione del pattern del primordio (simmetria,
  polarità)
• Controllo della divisione cellulare per
  dimensioni e numero dei fiori
• Formazione degli organi del fiore
• Esecuzione di pathways di sviluppo paralleli ed
  in parte
• sovrapposti
• Rete di interazioni molecolari molto complessa

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Evidenza di un meccanismo epigenetico del pathway
Wuschel /Agamous
Una Istone acetiltransferasi, AtGCN5, sembra
necessaria per il corretto sviluppo del
meristema fiorale e agisce mediante regolazione
del sistema WUS/AG
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Una mutazione per inserzione di T-DNA nel
bromodomain del gene AtGCN5 induce la
conversione delle infiorescenze in fiori
terminali e trasformazioni omeotiche degli
organi fiorali I fenotipi correlano con la
UP-regolazione della espressione di WUS e AG
nel meristema fiorale con lestensione dei
domini di espressione di questi geni e con
lespressione ectopica di AG nel MF
AtGCN5 controlla il pathway di espressione WUS-AG
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AtGCN5 è omologo alla ACETILTRANSFERASI di
lievito Gcn5 Gcn5 è una Istone
Acetiltransferasi (HAT) che contiene il
BROMODOMAIN (con il quale si associa a
lisine acetilate)
HATs e deacetilasi sono in grado di determinare
rimodellamenti della cromatina che possono
attivare o reprimere la trascrizione genica
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Le istone acetiltransferasi generalmente sono
richieste per lattivazione dei geni Tuttavia è
documentato che GCN5 funziona anche come
repressore AtGCN5 funzionerebbe come
modulatore negativo della espressione di WUS/AG
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(No Transcript)