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 floraciónLa 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

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.

Florecer: una decisión capital para la plante

Vegetativo Floral

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 ->determinadoEn las plantas anuales, la inducción floral es también el inicio dela senescenciaRegulado 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.

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

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 fotoperíodoplantas de días cortos/ plantas de días largos.

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

1) Introducción, ambiente y floración

Luz: - Calidad - Longitud

Temperatura: - Periodo de frio - Ambiente

Desarrollo: - Hormona (GA) - Edad, azúcar, C/N

Detección/Transducción de señales

Integradores florales

Transición floral

Numerosas vías integradas.

1) Introducción, ambiente y floración

2) Modelos fisiológicos de la floración

- 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

Numerosos tipos de plantas

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

Fotoreceptores

2) Modelos fisiológicos de la floración

Etiolación Pfr es convertido en Pr elongación

Pfr inactiva represores del desarrollo normalpara promover el desarrollo etiolado: el alargamiento de los tallos y de los entrenudos

Percepción de las sombras de otras plantasLongitudes de onda > 700 menos absorbidas que < 700Germinación en la

oscuridad: etiolación

Fotomorfogénesis

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

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- 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.

3) Aproches desde la fisiología molecular

Pregunta biológica

FisiologíaBioquímica Rol

funcional

Genómica funcional Recursos genéticos - Genética inversa - Diversidad alélicas

Visión global -Regulación -Interacción -Metabolismo

Relación entre fenotipo y bioquímica

Hipótesis de trabajo

Aproches globales para caracterizar nuevas funciones biológicas :

Floración

Vía autónoma

Vernalización

GAFRI FLC

FD,SOC, FTIntegradores de floración

LFY, AP1Meristemo floral , genes de identidad

CO

Fotoperíodo

Duración de la iluminación diaria

4) Floración y genes

Si bien hay otros sistemas estudiados la mayor parte de las informaciones

genéticas provienen de Arabidopsis thaliana.

Desarrollo floral

LaLa flor está formada por órganos, organizados en 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 remplazana 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

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.

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.

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

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

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

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 díascortos

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

No hay florigeno universal

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 defunción) 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 nopor 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 biotecnológicosAplicaciones 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 lascuatro estaciones ( melocotones).

Identificacion de los reguladores de la floracion

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

3 ClasesFloracion tardia en dias largosFloracion normal en dias cortosInsensible a la vernalizaciónSe bloquea un inductor de días largosco, ft, gi, cry2

Floracion tardía en días largosFloracion tardía en días cortosFloracion precoz despues vernalizacónSe bloquea un inhibidor de un inhibidor de floracionfca, fpa, fy, ld

Floracion tardía en días largosFloracion tardía en días cortosAfectada 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 identicosLos dobles mutantes obtenidos de 2 grupos tienen un fenotipo aditivo