Vývoj květů je proces, při kterém kvetoucí rostliny spouští kaskádu genové exprese v meristému , která vede k vytvoření reprodukčního orgánu , květu . Aby k tomu došlo, musí rostlina projít třemi vývojovými fázemi a fyziologickými změnami, které je doprovázejí: za prvé musí dosáhnout pohlavní dospělosti a stát se pohlavně dospělým jedincem (tedy přechodem do kvetení); za druhé musí dojít k přeměně apikálního meristému z vegetativního na květinový meristém (tj. musí dojít k tvorbě květů); a konečně růst a vývoj jednotlivých orgánů květu. Pro vysvětlení mechanismu poslední fáze byl vytvořen model ABC , který se pokouší popsat biologický základ procesu z hlediska molekulární genetiky a vývojové biologie .
K nastartování procesu kvetení je potřeba vnější podnět, který by mohl nastartovat diferenciaci meristému. Tento podnět spouští mitotické dělení meristémových buněk, zejména na stranách, kde se tvoří květní primordia. Stejný podnět způsobí, že meristém zapne program genetického vývoje, což povede k růstu květinového meristému. Hlavním rozdílem mezi květinovými a vegetativními meristémy je kromě zřejmého nesouladu mezi vytvořenými orgány přítomnost vřetenové fylotaxe v prvním , jejíž podstatou je vytvoření zárodku, mezi jednotlivými přesleny orgánů, jehož nedochází k žádnému prodloužení stonku . Tyto přesleny procházejí akropetálním vývojem, což vede ke vzniku sepalů , okvětních lístků , tyčinek a plodolistů . Dalším rozdílem od vegetativních axilárních meristémů je „determinace“ květinového meristému: po diferenciaci se jeho buňky již nemohou dělit [1] .
Květní meristémy lze rozdělit na dva typy: generativní meristémy, ze kterých se tvoří květenství , a z nichž vzniká květní meristém, který tvoří orgány květu. Květinové meristémy dávají vzniknout čtyřem orgánům květu: sepals, korunní lístky, tyčinky a plodolisty ( pestík ). Všechny květní orgány a odpovídající meristémy jsou položeny jako přesleny, to znamená, že jsou umístěny ve formě soustředných kruhů kolem květního meristému [2] . O tom, který orgán vznikne ze čtyř přeslenů květu, rozhoduje interakce nejméně tří tříd genů, respektive jejich produktů, z nichž každý plní svou specifickou funkci. Podle modelu ABC jsou funkce genu třídy A vyžadovány pro iniciaci přeslenů periantu a geny třídy C pro iniciaci reprodukčních přeslenů. Funkce těchto genů jsou nenahraditelné a nepřítomnost jednoho z nich bude znamenat, že druhý určí identitu všech květinových meristémů. Funkcí genů třídy B je tvorba okvětních lístků z sepalů ve druhém přeslenu, stejně jako tvorba tyčinek z plodolistů ve čtvrtém přeslenu.
Předpokládá se, že všechny orgány květu jsou upravené listy nebo výrůstky stonku . Tuto myšlenku poprvé vyslovil I. W. Goethe v 18. století . Goethova „teorie květin“ byla poprvé publikována v roce 1790 v eseji „Pokus o vysvětlení metamorfózy rostlin“ ( německy: Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren ) [3] , kde Goethe napsal:
Neboť stejně dobře můžeme říci, že tyčinka je stažený okvětní lístek a že okvětní lístek je tyčinka ve stavu expanze; že sepal je stažený stonkový list, který se blíží určitému stupni zjemnění, a že ten druhý je expandovaný sepal pod tlakem hrubých šťáv.Goethe JW von Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren. - Gotha, Ettlinger, 1790; odstavec 120.
Během přechodu do kvetení dochází v životním cyklu rostlin k dramatickým změnám, možná dokonce k těm nejdůležitějším ze všech. Celý proces musí proběhnout bez chyb, aby bylo zajištěno, že rostlina po sobě může zanechat potomstvo. Přechod začíná položením generativního meristému, který dá vzniknout květenství nebo jedinému květu. Tato morfogenetická změna se skládá z endogenních a exogenních prvků. Například, aby rostlina kvetla, musí mít určitý počet listů a určité množství celkové biomasy . Potřebné jsou také vhodné vnější podmínky, jako je délka dne a teplota . V tomto procesu hrají důležitou roli fytohormony , zejména gibereliny , které mohou stimulovat přechod do květu [4] .
Existuje mnoho signálů , které regulují kvetení na molekulárně biologické úrovni. Je však třeba poznamenat, že u Arabidopsis thaliana hrají hlavní roli následující tři geny : FLOWERING LOCUS T ( FT ), LEAFY ( LFY ), SUPPRESOR NADEXPRESE CONSTANS1 ( SOC1 , nazývaný také AGAMOUS-LIKE20 ) [5] . SOC1 kóduje protein MADS-box , který integruje signály z jiných proteinů, které reagují na délku dne, jarovizaci , hladiny sacharózy a gibereliny [4] . SOC1 zase aktivuje gen LEAFY , který kóduje transfaktor a spouští hlavní genovou kaskádu vedoucí k tvorbě květních orgánů. Produkt genu FT je malý protein o hmotnosti 23 kDa, který je aktivátorem vyššího řádu ve vztahu ke genu SOC1 . Podle moderních koncepcí je protein FT velmi tajemný florigen , jehož existenci předpokládal M. Kh. Chailakhyan . Vlivem příznivých podmínek, jako je kvalita světla, délka dne a jarovitost, je v listech rostliny syntetizován protein FT, který proudem floémových šťáv vstupuje do apikálního meristému , kde interaguje s trvale umístěným proteinem FD. , což je transfaktor typu zinkový prst . Společně tyto dva proteiny spouštějí transformaci vegetativního meristému na květinový a aktivují downstream gen SOC1 .
Meristém lze definovat jako tkáň nebo skupinu rostlinných buněk, která je tvořena nediferencovanými kmenovými buňkami , které jsou schopny tvořit různé specializované tkáně. Jejich udržování a vývoj ve vegetativních i generativních meristémech je řízen genetickým mechanismem determinace a buněčné diferenciace. To znamená, že řada genů bude přímo regulovat například udržování kmenových buněk ( gen WUSCHEL nebo WUS ), zatímco jiné budou mít opačný účinek prostřednictvím mechanismu negativní zpětné vazby , který inhibuje působení tohoto genu (např. gen CLAVATA nebo CLV ) . Oba tyto mechanismy tvoří zpětnovazební smyčku, která spolu s dalšími prvky dodává systému výraznou stabilitu [6] . Gen WUS je zodpovědný za udržování buněčného dělení apikálních meristémových buněk a gen SHOOTMERISTEMLESS ( STM ) potlačuje jejich diferenciaci, ale stále umožňuje dělení dceřiných buněk. Pokud by se tyto buňky mohly diferencovat, daly by vzniknout novým rostlinným orgánům [7] .
Anatomie květiny, její jasná organizace, je navržena tak, aby podporovala sexuální reprodukci kvetoucích rostlin . Květina vzniká díky aktivitě tří tříd genů, které regulují její vývoj [8] :
ABC model vývoje květin poprvé formulovali George Hawn a Chris Summersville v roce 1988 [9] . Poprvé byl použit jako model pro vysvětlení souboru mnoha genetických vzorů a mechanismů identifikovaných při tvorbě květu v podtřídě růžovitých na příkladu Arabidopsis thaliana au hvězdnic na příkladu Antirrhinum majus . Oba druhy mají čtyři přesleny (lístky, okvětní lístky, tyčinky a plodolisty), jejichž vznik je dán určitou expresí řady homeotických genů v každém z těchto přeslenů. Tvorba kališních lístků je zcela určena expresí genů A, ale tvorba okvětních lístků vyžaduje společnou expresi genů A a B. Geny B a C určují identitu tyčinek, pouze geny C jsou potřebné pro tvorbu plodolistů Je třeba poznamenat, že geny typu A a C jsou vzájemnými antagonisty [10] .
Skutečnost, že tyto homeotické geny určují identitu orgánu, se ukáže, když gen z jedné z těchto tříd, jako je gen A, není exprimován. U Arabidopsis má tato ztráta funkce genu za následek květ s jedním přeslenem plodolistů, jednou z tyčinek a jednou další z plodolistů [10] . Tato metoda studia genové funkce využívá reverzní genetiku k vytvoření transgenních rostlin pomocí mechanismu umlčování prostřednictvím RNA interference . Jiné studie využívající metody přímé genetiky , jako je genetické mapování , analyzují fenotyp květin se strukturálními abnormalitami, ze kterých je pak klonován požadovaný gen. Taková květina může mít dysfunkční nebo hyperaktivní alelu genu odpovědného za mutaci [11] .
Kromě hlavních tříd genů A, B a C byly nalezeny další dvě třídy genů, D a E. Geny D jsou zodpovědné za tvorbu vajíčka jako samostatný proces, který není spojen s tvorbou vajíčka. plodolisty (pestík), ke kterému dochází po jejich kladení [12] . Působení genů E je vyžadováno pro všechny čtyři verticily, ačkoli se původně předpokládalo, že jsou vyžadovány pouze pro vývoj tří vnitřních verticilů (funkce genů E sensu stricto ) [13] . V širším slova smyslu ( sensu lato ) jsou však vyžadovány pro všechny čtyři přesleny [14] . Když jsou tedy deaktivovány geny D, struktura vajíček je narušena a vajíček se stávají podobnými listům, a když je funkce genů E sensu stricto ztracena, květní orgány tří vnitřních přeslenů se přeměňují na sepaly . 13] . Řekneme-li sensu lato, pak se orgány všech čtyř přeslenů stanou listovými [14] . Je třeba poznamenat, že proteiny kódované těmito geny jsou proteiny MADS box [15] .
Metodicky bylo studium vývoje květů provedeno ve dvou krocích. Nejprve byly přesně identifikovány geny nezbytné pro iniciaci květinového meristému. U A. thaliana tyto geny zahrnují APETALA1 ( AP1 ) a LEAFY ( LFY ). Poté byla provedena genetická analýza aberantních fenotypů podle relativních charakteristik květin, což umožnilo charakterizovat homeotické geny zapojené do procesu.
Mutační analýzaBylo nalezeno mnoho mutací , které ovlivňují morfologii květů , ačkoli systematická analýza relevantních mutantů byla relativně nedávná. Mnoho z nich mění identitu orgánů květu, například některé orgány se vyvíjejí na místě, kde se měly vyvinout jiné. Jedná se o takzvané homeotické mutace , které jsou podobné mutacím v genech HOX nalezených u Drosophila . U Arabidopsis a Antirrhinum , dvou taxonů, na kterých je ABC model založen, tyto mutace vždy ovlivňují sousední přesleny. V souladu s tím lze všechny mutace rozdělit do tří tříd v závislosti na tom, které přesleny ovlivňují:
DNA genů odpovědných za homeotické mutace u výše zmíněných mutantů byla klonována a byly zkoumány jejich struktury a produkty. Studie používala analýzu sériové genové exprese za účelem stanovení vzoru genové exprese v různých tkáních během vývoje květu. Místo a sekvence exprese obecně odpovídaly těm, které předpověděl model ABC.
Přirozeně bylo zjištěno, že proteiny kódované v těchto genech jsou transkripčními faktory . Podobná skupina transkripčních faktorů, jak se očekávalo, se nachází u kvasinek a zvířat . Tato skupina se nazývá MADS proteiny ; jméno - zkratka prvních písmen jmen prvních čtyř členů této rodiny. Faktory MADS byly nalezeny u všech studovaných druhů rostlin, i když nelze vyloučit, že se na regulaci genové exprese mohou podílet i další prvky [8] .
U A. thaliana je třída A reprezentována dvěma geny: APETALA1 ( AP1 ) a APETALA2 ( AP2 ) [16] . AP1 je protein MADS-box a AP2 patří do rodiny genů CBF kódujících proteiny, které mají doménu AP2. Tato rodina se skládá ze tří transkripčních faktorů a nachází se pouze v rostlinách [17] . AP1 řídí iniciaci sepalů a květů a je také aktivní v květinovém meristému. AP2 funguje nejen v prvních dvou přeslenech (měsíčky a okvětní lístky), ale také ve dvou vnitřních přeslenech, stejně jako ve vývoji vajíček a dokonce i v listech a výhoncích. Bylo také prokázáno, že jeho exprese je nutná pro klíčení semen. Je velmi pravděpodobné, že existuje nějaký mechanismus posttranskripční regulace, který ovlivňuje jeho schopnost vykonávat A-funkci, nebo že má funkce v procesu diferenciace orgánů, které nesouvisejí s tvorbou květů [17] .
V Antirrhinum se gen ortologní k AP1 nazývá SQUAMOSA ( SQUA ) a také ovlivňuje květinový meristém. AP2 je homologní s geny LIPLESS1 ( LIP1 ) a LIPLESS2 ( LIP2 ), které mají zaměnitelnou funkci a podílejí se na vývoji sepalů, okvětních lístků a vajíček [18] .
Z Petunia hybrida byly izolovány tři geny podobné AP2 : APETALA2A ( PhAP2A ), PhAP2B a PhAP2C . PhAP2A je do značné míry homologní s genem Arabidopsis AP2 , a to jak z hlediska primární aminokyselinové sekvence, tak expresního vzoru, což naznačuje, že tyto dva geny jsou ortology. Proteiny PhAP2B a PhAP2C jsou naopak poněkud odlišné od AP2, i když patří do rodiny transkripčních faktorů podobných rodině AP2. Kromě toho jsou oba tyto geny exprimovány odlišně, i když jsou velmi podobné ve srovnání s PhAP2A . Ve skutečnosti mutace v těchto genech neprodukují obvyklý fenotyp odpovídající nulové alele genů A [19] Ve skutečnosti nebyly u petúnií nalezeny žádné skutečné geny s funkcí A; část A-funkcí (inhibice genů třídy C ve dvou vnějších přeslenech) byla z velké části zprostředkována miRNA169 (hovorově označovaná jako BLIND).
U A. thaliana patří do třídy B genů pouze dva geny: APETALA3 ( AP3 ) a PISTILLATA ( PI ), oba kódují proteiny MADS . Mutace v alespoň jednom z těchto genů způsobuje homeotickou přeměnu okvětních lístků na sepaly a tyčinky na plodolisty [20] . Totéž se děje s ortologními geny u A. majus : DEFICIENS ( DEF ) a GLOBOSA ( GLO ) [21] . U obou druhů tyto proteiny fungují jako heterodimery: AP3 a PI nebo DEF a GLO. Pouze v této formě se mohou vázat na DNA [22] .
U petúnií prošel ekvivalentní gen GLO/PI duplikací , což má za následek dva geny: P. hybrida GLOBOSA1 ( PhGLO1 , také nazývaný FBP1 ) a PhGLO2 (nazývaný PMADS2 nebo FBP3 ). Pokud jde o gen, který je ve funkci ekvivalentní AP3/DEF , petúnie má gen s relativně podobnou sekvencí nazývanou PhDEF a další atypický gen B-funkce, PhTM6 . Fylogenetické studie přiřadily první tři geny k linii „euAP3“, zatímco gen PhTM6 byl přiřazen ke starší linii „paleoAP3“ [23] . Je třeba poznamenat, že z hlediska evoluční historie se zdá, že vznik linie euAP3 souvisí s výskytem dvouděložných rostlin , protože geny B z linie euAP3 jsou přítomny hlavně v dvouděložných rostlinách a geny z paleoAP3 linie jsou přítomny v jednoděložných a paleodikotech [24] .
Jak bylo uvedeno výše, květní orgány krytosemenných eudicotů jsou rozmístěny ve 4 různých přeslenech, z nichž vycházejí sepaly, okvětní lístky, tyčinky a plodolisty. Model ABC uvádí, že analáž těchto orgánů je určena homeotickými geny A, A+B, B+C a C. Na rozdíl od sepalů a okvětních lístků Eudicot se periant mnoha rostlin Liliaceae ( Liliaceae ) skládá ze dvou téměř identické přesleny podobné okvětním lístkům. Pro vysvětlení morfologie květů Liliaceae navrhli v roce 1993 van Tanen a kol., upravený ABC model. Tento model naznačuje, že geny třídy B jsou exprimovány nejen v přeslenech 2 a 3, ale také v přeslenech 1. Z toho vyplývá, že orgány přeslenů 1 a 2 exprimují geny třídy A a B a získávají tak strukturu podobnou okvětnímu lístku. Model byl experimentálně validován, když bylo možné izolovat a charakterizovat geny homologní s geny GLOBOSA a DEFICIENS z hledíkovitého z tulipánu Tulipa gesneriana . Jak se ukázalo, tyto geny byly exprimovány ve třech přeslenech [25] .
Homology GLOBOSA a DEFICIENS byly také izolovány z Agapanthus praecox ssp. orientalis ( Agapanthaceae ), která je fylogeneticky vzdálená modelovým organismům. Tyto geny byly pojmenovány ApGLO a ApDEF . Oba mají otevřený čtecí rámec a kódují proteiny dlouhé 210-214 aminokyselinových zbytků . Fylogenetická analýza těchto genů ukázala, že patří do rodiny genů B jednoděložných rostlin . Hybridizací in situ bylo prokázáno, že oba geny jsou aktivní ve verticilech 1, 2 a 3. Souhrnně tato pozorování naznačují, že mechanismus vývoje květů u Agapanthus sleduje modifikovaný model ABC [26] .
U A. thaliana geny třídy C zahrnují gen kódující protein MADS AGAMOUS ( AG ) , který se podílí na tvorbě tyčinek a plodolistů a také na iniciaci květinového meristému [16] . Mutanty v genu AG postrádají androecium a gynoecium , místo kterých se vyvíjejí okvětní lístky a sepaly. Navíc je narušen růst středu květu, v důsledku čehož okvětní lístky a kališní lístky vyrůstají v opakujících se přeslenech.
Gen PLENA ( PLE ), přítomný v A. majus místo genu AG, není jeho ortologem. Homologem genu AG u A. majus je další gen, FARINELLI ( FAR ), který se podílí na vývoji prašníků a zrání pylu [27] .
U petúnií , snapdragonů a kukuřice je funkce C genů vykonávána řadou genů, které fungují stejným způsobem. Nejbližší homology AG genu u Petúnie zahrnují pMADS3 a květinový vazebný protein 6 ( FBP6 ) [27] .
Geny třídy D byly objeveny v roce 1995. Kódují proteiny MADS a mají specifickou funkci, která se liší od všech dříve popsaných, i když mají určitou homologii s geny třídy C. Mezi tyto geny patří FLORAL BINDING PROTEIN7 ( FBP7 ) a FLORAL BINDING PROTEIN1L ( FBP1l ) [12] . U petúnií bylo zjištěno, že se podílejí na vývoji vajíček. Podobné geny byly později nalezeny u Arabidopsis [28] , kde také řídí vývoj plodolistů, vajíček a dokonce i některých struktur souvisejících s šířením semen . Tyto geny se nazývají SHATTERPROOF 1, 2 ( SHP ) a SEEDSTICK ( STK ). Gen SHP je v genomu Arabidopsis zastoupen dvěma velmi podobnými kopiemi, které plní stejnou funkci. Stejně jako se vyskytuje v genech třídy B, proteiny SHP a STK musí tvořit heterodimer, aby se mohly vázat na DNA.
Při studiu petúnií a rajčat byl interferencí RNA získán zajímavý fenotyp , jehož výsledkem bylo zjištění, že v roce 1994 byla izolována nová funkce v modelu vývoje květů a jí odpovídající geny. Zpočátku se předpokládalo, že geny třídy E se podílejí pouze na vývoji tří vnitřních verticilů, ale následná práce odhalila, že jejich exprese je vyžadována pro všechny verticily květiny [13] . U Arabidopsis byly nalezeny čtyři geny třídy E, označované jako SEPALLATA : SEP1 , SEP2 , SEP3 a SEP4 . Všechny čtyři geny plní stejnou funkci a navzájem se duplikují, avšak mutant defektní ve všech čtyřech genech SEP nevyvine květní orgány a celý květ se skládá výhradně z sepalů (ve skutečnosti listů).
Model ABC přinesl řád a významný impuls do výzkumu morfogeneze květů, ale neříká nic o molekulárních mechanismech za tímto procesem. V roce 2001 Günter Theissen [29] navrhl na základě literárních údajů a četných pozorování do té doby nashromážděných tzv. „model kvartetu“. Bylo s jistotou známo, že proteiny MADS interagují s DNA za vzniku dimerů, jak se to děje u genů třídy B a C. Na základě skutečnosti, že pro vývoj květů je nezbytných pět tříd genů (A, B, C, D a E). A, B, C, D a E), Theissen navrhl, že produkty identitních genů květních orgánů fungují jako heterotetramerní proteinové komplexy. V následujících dílech byla jeho hypotéza potvrzena a brzy se stala všeobecně uznávanou. Tento model umožnil přejít od abstraktní interakce genů ke konkrétním fyzickým objektům. Podle kvartetního modelu jsou genové produkty A+E nutné pro tvorbu sepalů, A+B+E pro okvětní lístky, B+C+E pro tyčinky, C+E pro plodolisty a D+E pro vajíčka. Každý pár MADS transfaktorů je schopen se vázat na DNA obsahující sekvenci CC[A/T] 6 GG, zkráceně CArG-box [30] , takže se předpokládá, že kvarteto proteinů se váže na dva CArG-boxy na různé DNA regionech najednou., což způsobí, že se stočí do smyčky. Poté v závislosti na složení kvarteta spouští nebo potlačuje expresi genů z každé z oblastí DNA. Předpokládá se, že geny třídy E hrají v tomto procesu významnou roli a zajišťují vazbu dvou dimerů na tetramer. Podobný systém byl nakonec nalezen ve všech modelových závodech. V současné době je kvartetní model obecně uznávaným modelem molekulárně biologického vývoje květiny [31] .
V současné době bylo pro A. thaliana identifikováno pět proteinových komplexů , které jsou zodpovědné za vývoj určitého květního orgánu [32] :