La floración: Aportes de la fisiología molecular

MSc. Heidy Chavarría

Plan       

1) Introducción, ambiente y floración 2) Modelos fisiológicos de la floración 3) Aportes de la fisiología molecular 4)Genes y floración 5) Regulación del fotoperíodo y control de la floración 6) Papel de las hormonas 7) Intereses biotecnológicos

1) Introducción, ambiente y floración

La floración es uno de los caracteres que determinan el ciclo de vida de una planta y de su éxito reproductivo.

La fecha de la floración determina la duración de la fase vegetativa y de la fase reproductiva en el ciclo de vida de una planta.



1) Introducción, ambiente y floración

Florecer: una decisión capital para la plante

Lugar: meristemo (viene de

meristos=división)

= Masivo de células embrionarias que se dividen y dan nacimiento a :  tallo, hojas, raíces ( meristemo vegetativo)  La flor ( meristemo reproductor) Vegetativo Floral   Transición irreversible - Si se producen en el mal momento, consecuencias en la calidad de los granos.

Sincronización de la floración con una estación favorable.

 La  inducción floral es el periodo donde ciertos órganos de la planta, bajo el efecto de estímulos exteriores, envían al meristemo un mensaje, la señal de floración.

Cambios en el modo de desarrollo « switch »:  indeterminado ->determinado En las plantas anuales, la inducción floral es también el inicio de la senescencia Regulado por el fotoperíodo -> fotomorfogénesis  La reorganiza en función de ese programa.

 evocación floral es el periodo donde el meristemo se Corresponde a una reorganización de la arquitectura del apex, preparación a la diferenciación de los brotes florales.

 La iniciación floral es el periodo donde se diferencian los brotes de las piezas florales ( cambios morfológicos, que poco a poco le dan el aspecto de un meristemo prefloral o, en el caso de una inflorescencia, de un meristemo inflorescencial).

 En esta etapa se continua la floración que se manifiesta por el desarrollo de piezas florales (sépalos, pétalos, etaminas y carpelos), la meiosis seguida de la formación de gametos, la brotación y finalmente el desarrollo de la flor.

Control de la floración y de la identidad floral

Condiciones Las inherentes de la planta: correlaciones morfogenéticas.

El aparato vegetativo debe haber alcanzado un estado de desarrollo suficiente: tomate (haber formado13 nudos), trigo (7 hojas), roble (50 años) La proporción entre órganos reproductores y vegetativos debe ser adaptado para evitar competencias por las sustancias nutritivas: el tamaño de la fruta

1) Introducción, ambiente y floración

 Existe grandes variaciones entre las especies, pero también en el interior de una especie, para las estrategias de floración, que son determinadas por el ambiente abiótico (fotoperíodo, temperatura y nutrientes ) o bióticos (competición por la luz, herbívoros, polinizadores) 

Clima temperado : los problemas principales son los periodos fríos durante el invierno.

→ vernalizacion permite ajustar la fecha de floración ( trigo, chícharos, cebada,

A. thaliana

) 

Clima tropical : el fotoperíodo es un indicador de la transición entre la época seca y la época lluviosa.

→ sensibilidad al fotoperíodo plantas de días cortos/ plantas de días largos.



Otros factores ambientales: luz, temperatura, nutrientes, hormonas.

1) Introducción, ambiente y floración

Luz: - Calidad - Longitud

Numerosas vías integradas.

Temperatura: - Periodo de frio - Ambiente Desarrollo: - Hormona (GA) - Edad, azúcar, C/N Detección/Transducción de señales Integradores florales Transición floral

2) Modelos fisiológicos de la floración

Numerosos tipos de plantas

Plantas de días largos

mas

-

La planta florece en primavera verano cuando los días son largos  ex:

Arabidopsis

, chícharo, clavel…

Plantas de días cortos

La planta florece en otoño-invierno, cuando los días son mas cortos  ex: arroz, soya, café, crisantemo …

Plantas indiferentes

La planta es indiferente a la longitud del día. ex: pepino, tomate, papa

Plantas afóticas

- La planta es capaz de florecer en la oscuridad.  ex: jacinto

2) Modelos fisiológicos de la floración

Fotoreceptores

 Perciben la calidad de la luz  Fitocromos: perciben el rojo y el rojo lejano  5 genes nucleares en

Arabidopsis

 Existen en las plantas, algas y bacterias  Cryptocromos: perciben el azul  Identificación de fotoreceptores pora análisis de mutantes

Etiolación Pfr es convertido en Pr elongación Germinación en la oscuridad: etiolación Fotomorfogénesis Pfr inactiva represores del desarrollo normal para promover el desarrollo etiolado: el alargamiento de los tallos y de los entrenudos Percepción de las sombras de otras plantas Longitudes de onda > 700 menos absorbidas que < 700

Fitocromo

A la luz del día: equilibrio entre las dos formas.

En la noche: Pfr decrece regularmente Flash de luz roja Pfr aumenta rápidamente la floración de plantas de días largos (noches cortas) Inhibición de las plantas de días cortos ( noches no suficientemente largas)

Modelo de coincidencia externa

   Modelo de coincidencia externa (Pittendrigh and Minnis): izquierda: la luz modula la actividad de un regulador. si supera un umbral con luz, promueve la floración de

Arabidopsis

(PDL) no lo hace sin luz (derecha)

Modelo de coincidencia externa

3) Aproches desde la fisiología molecular

Genética molecular : Se explota las variaciones/modificaciones de secuencias (aleatorias/escogidas, inducidas/naturales) de un genoma entre individuos ( afectando la actividad de un gen):

Genética forward (del fenotipo al gen)

1 Identificar un gen implicado en una función biológica.

Genética reverse (del gen al fenotipo)

2 3 Demostrar la función de un gen. Caracterizar los modos de acción de los productos de ese gen, en la planta, la célula y con otras moléculas asociadas.

Aproches globales para caracterizar nuevas funciones biológicas :

Pregunta biológica

Visión global -Regulación -Interacción -Metabolismo

Fisiología Bioquímica Rol funcional

Relación entre fenotipo y bioquímica

Genómica funcional Recursos genéticos

- Genética inversa - Diversidad alélicas

Hipótesis de trabajo

Duración de la iluminación diaria

Fotoperíodo FRI CO

Floración

Vía autónoma Vernalización FLC FD,SOC, FT Integradores de floración GA LFY, AP1 Meristemo floral , genes de identidad

4) Floración y genes

Desarrollo floral Si bien hay otros sistemas estudiados la mayor parte de las informaciones genéticas provienen de

Arabidopsis thaliana.

La flor está formada por La cuatro círculos concéntricos

Las células epidérmicas de los órganos florales tienen morfologías muy diferentes.

  El modelo ABC predice que cada gen o par de genes controla la identidad de dos verticilos.

Los productos de los genes A y C se inhiben mutuamente.

Modelo ABC

Perdida de función de C (agamous), A lo remplaza.

Perdida de función de A (apetala1), C (agamous) lo remplaza.

Perdida de función de B (AP3, PI) A y C lo remplazan.

 Mutaciones de 4 genes principales conducen a transformaciones homéoticas (cambios de identidad de un órgano): 

apetala2

: reemplazamiento de los sépalos por carpelos y etaminas remplazan a veces los pétalos( afecta los verticilos 1 y 2) 

pistillata

y

apetala3

: los sépalos remplazan los pétalos y los carpelos remplazan a las etaminas (afectan los verticilos 2 y 3) 

agamous

: las etaminas son remplazadas por los pétalos y el gineceo es remplazado por una segunda flor

agamous crecimiento determinado-> indeterminado . El arreglo sépalo-pétalo-sépalo es reiterado numerosas veces (afecta el verticilo 3 y 4)

  El perfil de expresión de los genes confirma en parte el modelo ABC.

Otros genes fueron adjuntados.

 Otros genes implicados:   

APETALA 1

y

2

: mutaciones aumentan el fenotipo

lfy CAULIFLOWER

: mutantes

cal ap1

sobre producen meristemos florales, inflorescencias de tipo coliflor.

LEAFY

es expresado en el meristemo vegetativo=> rol de integración de las señales de floración?

Perfiles de expresión recubrantes:  Aumentación mutua de la actividad-> probablemente por factores de transcripción.

Objetivos ( directo o indirecto?) de las señales de floración: genes que regulan la identidad de los meristemos florales:  LEAFY (LFY), 

leafy

mutante, los tallos que tendrían que convertirse en flores guardan un crecimiento indeterminado  expresión constitutiva de LFY: los tallos secundarios se convierten en flores y el tallo primario se transforma precozmente en flor.

->LFY regula la identidad del meristemo floral y el tiempo de floración.

 Interaccione genéticas durante el paso del meristemo vegetativo al meristemo de inflorescencia:  En el meristemo apical

LEAFY

es inhibido y

AGAMOUS

también pues el crecimiento es indeterminado.

 Después de activación de

LEAFY

conjuntamente

AGAMOUS

, (florigeno, etc.),

WUSCHE

L y

LEAFY

activan 

LEAFY

da una especificidad temporal (convertir en flor ) 

WUSCHEL

da una especificidad regional (seguir como meristemo) 

AGAMOUS

determina la identidad de los órganos florales y el crecimiento determinado del meristemo floral reprimiendo

WUSCHEL

  

AG, PI, AP1

y

AP3

pertenecen a una familia de factores de transcripción conservados durante la evolución y que contienen un dominio de unión al ADN (MADS box genes) Genes similares participen en la elaboración de flores diferentes.

Los genes del desarrollo floral se encuentran en las plantas sin flor, ex: homologo funcional de

LEAFY

en el pino (complementa la mutación

lfy

en

Arabidopsis

).

  Mutaciones de

TERMINAL FLOWER 1

(

TFL1

) => finalización precoz de la flor

TFL1

(indeterminado -> determinado) antagonista de

LFY

(determinado-> indeterminado)

Vía autónoma

Vía de señalización de GA

5) Regulación del fotoperíodo y control de la floración

Descubrimiento del fotoperiodo en 1920

Fotoperíodo Las plantas de días cortos florecen solamente cuando la duración del día es inferior a un valor critico, si el periodo de oscuridad es interrumpida: no hay floración.

Las plantas de días largos florecen solamente cuando la duración del día es superior a un valor critico, si la planta es en día corto y la oscuridad es interrumpida: hay floración

El fotoperíodo es percibido por las hojas señal= florigeno

No hay florigeno universal  Proceso multifactorial,   Inductores internos: GA, CK, azúcares, poliaminas… Inductores externos: fotoperíodo, vernalizacion  Transportados hacia el apex del tallo vía simplastica  Se pudo aislar mutantes de la floración precoz (genes represores) o tardía ( genes activadores)  ex: las mutaciones de CONSTANS (CO) y Flowering locus T (FT) retardan la floración en días largos  La expresión desregulada de CONSTANS (CO) , induce la floración en días cortos  La proteína FT es inducida en la hoja, después migra hacia el meristemo donde ella induce la expresión de LEAFY, APETALA etc -> componente del florigeno

Descubrimiento de CONSTANS

    CONSTANS es una proteína inestable, de vida corta.

La expresión de su gen es regulada por el reloj circadiano: su concentración varía sinusoidalmente Su función es regulada por la luz Cuando coinciden alta concentración y activación por luz, promueve el gen de floración T (FT) => la planta florece

 La sobreexpresion de CO o de FT es suficiente para inducir una floración precoz mismo en días cortos.

Confirmación de las propiedades de inducción de CO y de FT

Modelo de la regulación de la floración por CO

Modelo de la regulación de la floración por CO

a) en

Arabidopsis

(PDL), la luz percibida por fitocromo A y CRY2 controla el reloj (~) => el cual a su vez modula CO => FT => floración.

– si CO se expresa de noche: no florece b) en arroz (PDC), la luz percibida por fitocromos B, D y E controla el reloj, que a su vez regula una proteína similar a CONSTANS dicha proteína con luz es represor de floración.

– En DC, se expresa de noche => floración

Factor migrante de las hojas al meristemo: ARNm o proteina FT?

Resumen sobre los actores de la vía de días largos

VERNALIZACION

Ciertas plantas o poblaciones naturales (écotipos) necesitan pasar a frío para florecer ( invierno) El gen FRIGIDA permite una floración tardía que puede ser modulada por un tratamiento con frío (vernalización), mutaciones espontáneas (perdida de función) existen en los ecotipos de países calientes no necesitando pasar a frío ⇒ FRI: percepción de la temperatura para inducir la floración La vernalización provoca la desmetilación de las Citosinas (5 azacitidina mime a la vernalización) =>la desmetilación de ciertos genes durante la germinación regula la floración, más tardía.

Modificaciones son heredables mitoticamente : estado epigenético.

6)Papel de los reguladores de crecimiento



Giberelinas

: activo papel en la floración.

– En las Pináceas, GA4/7 y GA9, inducen la formación de estróbilos.

– PDL (

Lolium

y

Fuchsia

): aplicación de GA en DC induce floración – En fresa (PDC) las giberelinas estimulan su floración en días largos.

– no todas las GA son eficaces:

Silene armeria

, se ve inducida por GA7, pero no por GA1 y GA6.

– En Cupresaceas, Taxodiaceas y algo en Pinaceas, las GAs acortan la fase juvenil.

– GAs substituyen exigencias de frío de algunas especies (zanahoria).



Las auxinas:

– inhiben floración, salvo ANA y 2,4-D, que la inducen en PDL.



El etileno:

inhibe la floración, tanto en la fase de iniciación del primordio como durante el desarrollo posterior de la flor.



Las citoquininas:

– inducen floración en algunas plantas, pero en la mayoría no producen efectos.

– En algunas PDC favorecen floración en condiciones de DL.

– En

Arabidopsis

(PDL), imitan la acción de giberelinas.



El ácido abscísico

favorece la floración de plantas de grosella y fresa ( ambas PDC) previamente inducidas

CK, Auxinas y GA

7) Intereses biotecnológicos

Aplicaciones biotecnológicas en el control de la floración :

Inducción de la floración:

Permite el cultivo de especies necesitando condiciones estrictas de floración en ambientes no favorables ( fotoperíodo o temperatura) Domesticación de especies Acelera el proceso de selección varietal en los árboles ( floración tardía: 40 años ) Interés en horticultura para aumentar el numero de inflorescencias ( orquídeas ).

Represión/prevención de la floración :

Aumentar los rendimientos en biomasa ( caña de azúcar) Aumentar los rendimientos en frutas ( piña) Permite evitar la floración durante las heladas de primavera en países con las cuatro estaciones ( melocotones).

Identificacion de los reguladores de la floracion

Genetica clasica: busqueda de mutantes con floracion tardia en dias largos.

3 Clases

Floracion tardia en dias largos Floracion normal en dias cortos Insensible a la vernalización Se bloquea un inductor de días largos

co, ft, gi, cry2

Floracion tardía en días largos Floracion tardía en días cortos Floracion precoz despues vernalizacón Se bloquea un inhibidor de un inhibidor de floracion

fca, fpa, fy, ld

Floracion tardía en días largos Floracion tardía en días cortos Afectada en la sintesis o en la respuesta a las giberelinas.

Se bloquea la induccion hormonal ga1, gai.

Los dobles mutantes de un mismo grupo son identicos Los dobles mutantes obtenidos de 2 grupos tienen un fenotipo aditivo