La floración: Aportes de la fisiología molecular

1. La floración:Aportes de la fisiología molecular MSc. Heidy Chavarría

2. 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

3. 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.

8. 1) Introducción, ambiente y floración Florecer: una decisión capital para la plante Floral Vegetativo • 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) • Transición irreversible • - Si se producen en el mal momento, consecuencias en la calidad de los granos. Sincronización de la floración con una estación favorable.

10. 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 evocación floral es el periodo donde el meristemo se reorganiza en función de ese programa. • 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.

11. 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

12. 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.

13. 1) Introducción, ambiente y floración Numerosas vías integradas. Desarrollo: - Hormona (GA) - Edad, azúcar, C/N Luz: - Calidad - Longitud • Temperatura: • - Periodo de frio • - Ambiente Detección/Transducción de señales Integradores florales Transición floral

14. 2) Modelos fisiológicos de la floración Numerosos tipos de plantas - Plantas de días largos - La planta florece en primavera-verano cuando los días son mas 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

15. 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

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

17. 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)

18. 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

19. Genética molecular : 3) Aproches desde la fisiología 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- Demostrar la función de un gen. 3- Caracterizar los modos de acción de los productos de ese gen, en la planta, la célula y con otras moléculas asociadas.

20. Aproches globales para caracterizar nuevas funciones biológicas : Pregunta biológica Fisiología Bioquímica Rol funcional Visión global -Regulación -Interacción -Metabolismo Relación entre fenotipo y bioquímica Recursos genéticos - Genética inversa - Diversidad alélicas Genómica funcional Hipótesis de trabajo

21. Floración Vía autónoma Duración de la iluminación diaria Vernalización FLC FRI Fotoperíodo GA CO FD,SOC, FT Integradores de floración LFY, AP1 Meristemo floral , genes de identidad

22. 4) Floración y genes

23. Desarrollo floral La flor está formada por órganos, organizados en cuatro círculos concéntricos La Si bien hay otros sistemas estudiados la mayor parte de las informaciones genéticas provienen de Arabidopsis thaliana.

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

25. Modelo ABC 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.

26. Perdida de función de A (apetala1), C (agamous) lo remplaza. Perdida de función de B (AP3, PI) A y C lo remplazan. Perdida de función de C (agamous), A lo remplaza.

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

28. El perfil de expresión de los genes confirma en parte el modelo ABC. Otros genes fueron adjuntados.

29. 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.

30. 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.

31. 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 (florigeno, etc.), WUSCHEL y LEAFY activan conjuntamente AGAMOUS, • 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

32. 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).

33. Mutaciones de TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) => finalización precoz de la flor TFL1 (indeterminado -> determinado) antagonista de LFY (determinado-> indeterminado)

36. Vía autónoma

37. Vía de señalización de GA

38. 5) Regulación del fotoperíodo y control de la floración Descubrimiento del fotoperiodo en 1920

39. 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

40. El fotoperíodo es percibido por las hojas señal= florigeno

41. 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

42. 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

43. Confirmación de las propiedades de inducción de CO y de FT La sobreexpresion de CO o de FT es suficiente para inducir una floración precoz mismo en días cortos.

44. Modelo de la regulación de la floración por CO

45. 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

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

48. Resumen sobre los actores de la vía de días largos

49. 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.

50. 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.