Blommans utveckling är den process genom vilken blommande växter utlöser en kaskad av genuttryck i meristemet som resulterar i bildandet av reproduktionsorganet , blomman . För att detta ska hända måste växten gå igenom tre utvecklingsstadier och de fysiologiska förändringarna som åtföljer dem: för det första måste den nå sexuell mognad och bli en könsmogen individ (det vill säga övergången till blomning); för det andra måste omvandlingen av det apikala meristemet från vegetativt till blommigt meristem ske (det vill säga blombildning måste ske); och slutligen tillväxten och utvecklingen av blommans individuella organ. För att förklara mekanismen för det sista steget myntades ABC-modellen , som försöker beskriva den biologiska grunden för processen i termer av molekylär genetik och utvecklingsbiologi .
För att starta blomningsprocessen behövs en extern stimulans som kan starta differentieringen av meristemet. Denna stimulans utlöser den mitotiska uppdelningen av meristemceller, särskilt på sidorna, där blommors primordia bildas. Samma stimulans får meristemet att slå på det genetiska utvecklingsprogrammet, vilket kommer att leda till tillväxten av blommeristemet. Huvudskillnaden mellan de blommiga och vegetativa meristemen, förutom den uppenbara skillnaden mellan de bildade organen, är närvaron av virvlad phyllotaxis i det första , vars essens är att ett embryo bildas, mellan de individuella virvlarna av organ av vilka det finns ingen förlängning av stammen . Dessa virvlar genomgår akropetal utveckling, vilket ger upphov till foderblad , kronblad , ståndare och bärblad . En annan skillnad från vegetativa axillära meristem är "bestämningen" av blommeristemet: efter differentiering kan dess celler inte längre dela sig [1] .
Blommeristem kan delas in i två typer: generativa meristem, av vilka blomställningar bildas , och som ger upphov till blommeristem , som bildar blommans organ. Blommeristem ger upphov till de fyra organen i en blomma: foderblad, kronblad, ståndare och fruktblad ( pistill ). Alla blomorgan och motsvarande meristem läggs som virvlar, det vill säga de ligger i form av koncentriska cirklar runt blommeristem [2] . Vilket organ som kommer att bildas från de fyra virvlarna i en blomma bestäms av interaktionen mellan minst tre klasser av gener, eller snarare deras produkter, som var och en utför sin specifika funktion. Enligt ABC-modellen krävs klass A-genfunktioner för initiering av perianthvirvlar och klass C-gener för initiering av reproduktiva virvlar. Funktionerna hos dessa gener är oersättliga, och frånvaron av en av dem kommer att innebära att den andra kommer att bestämma identiteten för alla blommeristemer. Klass B-geners funktion är bildandet av kronblad från foderblad i den andra virveln, såväl som bildandet av ståndare från bärblad i den fjärde virveln.
Man tror att alla organ i blomman är modifierade blad eller utväxter av stjälken . Denna idé uttrycktes först av I. W. Goethe på 1700-talet . Goethes "blomteori" publicerades första gången 1790 i essän "Ett försök att förklara växternas metamorfos" ( tyska: Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren ) [3] , där Goethe skrev:
Ty vi kan lika väl säga att en ståndare är ett sammandraget kronblad och att ett kronblad är en ståndare i expansionstillstånd; att foderbladen är ett sammandraget stamblad som närmar sig en viss grad av förfining, och att den senare är den expanderade foderbladen under trycket av grova safter.Goethe JW von Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren. - Gotha, Ettlinger, 1790; paragraf 120.
Under övergången till blomning sker dramatiska förändringar i växternas livscykel, kanske till och med den viktigaste av allt. Hela processen måste gå felfritt för att säkerställa att plantan kan lämna efter sig avkomma. Övergången börjar med läggningen av ett generativt meristem, vilket kommer att ge upphov till en blomställning eller en enda blomma. Denna morfogenetiska förändring består av endogena och exogena element. Till exempel, för att blomma måste en växt ha ett visst antal blad och en viss mängd total biomassa . Lämpliga yttre förhållanden behövs också, såsom dagslängd och temperatur . I denna process spelar fytohormoner en viktig roll , särskilt gibberelliner , som kan stimulera övergången till blomning [4] .
Det finns många signaler som reglerar blomningen på molekylärbiologisk nivå. Det bör dock noteras att följande tre gener spelar huvudrollen i Arabidopsis thaliana : BLOMMANDE LOCUS T ( FT ), BLÖDIG ( LFY ), UPPRESSOR AV ÖVEREXPRESSION AV CONSTANS1 ( SOC1 , även kallad AGAMOUS-LIKE20 ) [5] . SOC1 kodar för ett MADS-box- protein som integrerar signaler från andra proteiner som svarar på dagslängd, vernalisering , sackarosnivåer och gibberelliner [4] . SOC1 aktiverar i sin tur LEAFY-genen , som kodar för en transfaktor och startar huvudgenkaskaden som leder till bildandet av blomorgan. FT -genprodukten är ett litet protein med en massa på 23 kDa, vilket är en aktivator av högre ordning i förhållande till SOC1 -genen. Enligt moderna koncept är FT-proteinet det mycket mystiska florigenet , vars existens postulerades av M. Kh. Chailakhyan . Under påverkan av gynnsamma förhållanden, såsom ljuskvalitet, dagslängd och vernalisering, syntetiseras FT-proteinet i växtens blad, som kommer in i det apikala meristemet med flödet av floemjuicer , där det interagerar med det permanent belägna FD-proteinet. , som är en transfaktor av zinkfingertyp . Tillsammans utlöser dessa två proteiner transformationen av vegetativ till blommig meristem och aktiverar nedströms SOC1 -genen .
Ett meristem kan definieras som en vävnad eller grupp av växtceller som är uppbyggd av odifferentierade stamceller som är kapabla att bilda olika specialiserade vävnader. Deras underhåll och utveckling både i de vegetativa och generativa meristemen styrs av den genetiska mekanismen för bestämning och celldifferentiering. Detta innebär att ett antal gener kommer att direkt reglera, till exempel, underhållet av stamceller ( WUSCHEL- eller WUS -genen ), medan andra kommer att ha motsatt effekt genom den negativa återkopplingsmekanismen , vilket hämmar verkan av denna gen (till exempel, CLAVATA- eller CLV - genen ). Båda dessa mekanismer bildar en återkopplingsslinga, som tillsammans med andra element ger systemet en betydande stabilitet [6] . WUS - genen är ansvarig för att upprätthålla celldelningar av apikala meristemceller, och genen SHOOTMERISTEMLESS ( STM ) undertrycker deras differentiering, men tillåter fortfarande dotterceller att dela sig. Om dessa celler kunde differentiera skulle de ge upphov till nya växtorgan [7] .
En blommas anatomi, dess tydliga organisation, är utformad för att främja sexuell reproduktion av blommande växter . En blomma skapas på grund av aktiviteten hos tre klasser av gener som reglerar dess utveckling [8] :
ABC-modellen för blomutveckling formulerades först av George Hawn och Chris Summersville 1988 [9] . Den användes först som en modell för att förklara samlingen av många genetiska mönster och mekanismer som identifierades i bildandet av en blomma i underklassen rosid med exemplet Arabidopsis thaliana , och i asterider med exemplet Antirrhinum majus . Båda arterna har fyra virvlar (blodblad, kronblad, ståndare och fruktblad), vars bildande bestäms av ett visst uttryck av ett antal homeotiska gener i var och en av dessa virvlar. Bildandet av foderblad bestäms helt av uttrycket av gener A, men bildandet av kronblad kräver gemensamt uttryck av generna A och B. Gener B och C bestämmer identiteten på ståndarna, endast gener C behövs för bildandet av bärblad. Det bör noteras att gener typ A och C är ömsesidiga antagonister [10] .
Det faktum att dessa homeotiska gener bestämmer ett organs identitet blir uppenbart när en gen från en av dessa klasser, såsom A-genen, inte uttrycks. I Arabidopsis resulterar denna förlust av genfunktion i en blomma med en virvel av karpeller, en av ståndarna och ytterligare en av bärarna [10] . Denna metod för att studera genfunktion använder omvänd genetik för att skapa transgena växter genom mekanismen att tysta genom RNA-interferens . Andra studier som använder direkta genetiska metoder , såsom genetisk kartläggning , analyserar fenotypen av blommor med strukturella abnormiteter, från vilka genen av intresse sedan klonas. En sådan blomma kan ha en dysfunktionell eller hyperaktiv allel av genen som är ansvarig för mutationen [11] .
Förutom huvudklasserna av generna A, B och C hittades ytterligare två klasser av gener, D och E. D-generna är ansvariga för bildandet av ägglossningen som en separat process, inte förknippad med bildandet av karpeller (pistil), som uppstår efter deras läggning [12] . Verkan av E-generna krävs för alla fyra verticilerna, även om det ursprungligen antogs att de endast krävdes för utvecklingen av de tre inre verticilerna (funktionen av E sensu stricto- generna ) [13] . Men i en vidare mening ( sensu lato ) krävs de för alla fyra virvlar [14] . Sålunda, när D-generna är inaktiverade, störs ägglossarnas struktur, och de blir lika blad, och när funktionen hos E sensu stricto-generna går förlorad, omvandlas blomorganen i de tre inre virvlarna till foderblad [ 13] . Om vi säger sensu lato, så blir organen i alla fyra virvlarna lövliknande [14] . Det bör noteras att proteinerna som kodas av dessa gener är MADS- boxproteiner [15] .
Metodologiskt genomfördes studien av blomutveckling i två steg. Först identifierades de gener som var nödvändiga för initieringen av det blommiga meristemet exakt. I A. thaliana inkluderar dessa gener APETALA1 ( AP1 ) och LEAFY ( LFY ). Därefter genomfördes en genetisk analys av avvikande fenotyper enligt blommors relativa egenskaper, vilket gjorde det möjligt att karakterisera de homeotiska gener som är involverade i processen.
MutationsanalysMånga mutationer har hittats som påverkar blommorfologi , även om den systematiska analysen av de relevanta mutanterna har varit relativt ny. Många av dem ändrar identiteten på blommans organ, till exempel utvecklas vissa organ på den plats där andra borde ha utvecklats. Dessa är de så kallade homeotiska mutationerna , som liknar mutationerna i HOX-generna som finns i Drosophila . I Arabidopsis och Antirrhinum , de två taxa som ABC-modellen är baserad på, påverkar dessa mutationer alltid intilliggande virvlar. I enlighet med detta kan alla mutationer delas in i tre klasser, beroende på vilka virvlar de påverkar:
DNA från generna som ansvarar för homeotiska mutationer i de mutanter som nämnts tidigare har klonats och deras strukturer och produkter har undersökts. Studien använde seriell genuttrycksanalys för att bestämma mönstret för genuttryck i olika vävnader under hela utvecklingen av blomman. Platsen och sekvensen för uttryck matchade i allmänhet de som förutspåddes av ABC-modellen.
Av naturen har proteinerna som kodas i dessa gener visat sig vara transkriptionsfaktorer . En liknande grupp av transkriptionsfaktorer, som förväntat, finns i jäst och djur . Denna grupp kallas MADS-proteiner ; namn - en akronym av de första bokstäverna i namnen på de första fyra medlemmarna i denna familj. MADS-faktorer har hittats i alla studerade växtarter, även om det inte kan uteslutas att andra element också kan vara inblandade i regleringen av genuttryck [8] .
Hos A. thaliana representeras klass A av två gener: APETALA1 ( AP1 ) och APETALA2 ( AP2 ) [16] . AP1 är ett MADS-box- protein och AP2 tillhör CBF-familjen av gener som kodar för proteiner som har en AP2-domän. Denna familj består av tre transkriptionsfaktorer och finns endast i växter [17] . AP1 kontrollerar initieringen av foderblad och blommor, och är även aktiv i blommeristemet. AP2 fungerar inte bara i de två första virvlarna (blodblad och kronblad), utan också i de två inre virvlarna, såväl som i att utveckla ägglossningar och även i blad och skott. Det har också visat sig att dess uttryck krävs för frögroning. Det är mycket troligt att det finns någon mekanism för post-transkriptionell reglering som påverkar dess förmåga att utföra A-funktion, eller att den har funktioner i organdifferentieringsprocessen som inte är relaterade till blombildning [17] .
I Antirrhinum kallas en gen som är ortolog mot AP1 SQUAMOSA ( SQUA ) och påverkar även det blommiga meristemet. AP2 är homolog med generna LIPLESS1 ( LIP1 ) och LIPLESS2 ( LIP2 ), som har en utbytbar funktion och är involverade i utvecklingen av foderblad, kronblad och ägglossningar [18] .
Tre AP2- liknande gener har isolerats från Petunia hybrida : APETALA2A ( PhaP2A ), PhAP2B och PhAP2C . PhAP2A är till stor del homolog med Arabidopsis AP2 -genen , både vad gäller primär aminosyrasekvens och uttrycksmönster, vilket tyder på att dessa två gener är ortologer. Proteinerna PhAP2B och PhAP2C skiljer sig tvärtom något från AP2, även om de tillhör en familj av transkriptionsfaktorer som liknar AP2-familjen. Dessutom uttrycks båda dessa gener olika, även om de är mycket lika jämfört med PhAP2A . Faktum är att mutationer i dessa gener inte producerar den vanliga fenotypen som motsvarar nollallelen för A-generna [19] Faktum är att inga riktiga A-funktionsgener har hittats i petunior; en del av A-funktionerna (hämning av klass C-gener i de två yttre virvlarna) medierades till stor del av miRNA169 (i vardagsspråket kallad BLIND).
I A. thaliana tillhör endast två gener B-genklassen: APETALA3 ( AP3 ) och PISTILLATA ( PI ), båda kodar för MADS-proteiner . En mutation i åtminstone en av dessa gener orsakar den homeotiska omvandlingen av kronblad till foderblad och ståndare till bärblad [20] . Samma sak händer med ortologa gener i A. majus : DEFICIENS ( DEF ) och GLOBOSA ( GLO ) [21] . I båda arterna fungerar dessa proteiner som heterodimerer: AP3 och PI eller DEF och GLO. Endast i denna form kan de binda till DNA [22] .
I petunior har GLO/PI -ekvivalentgenen genomgått en duplicering , vilket resulterar i två gener: P. hybrida GLOBOSA1 ( PhGLO1 , även kallad FBP1 ) och PhGLO2 (kallad PMADS2 eller FBP3 ). När det gäller genen som är likvärdig i funktion med AP3/DEF , har petunia en gen med en relativt liknande sekvens som kallas PhDEF , och en annan atypisk B-funktionsgen, PhTM6 . Fylogenetiska studier har tilldelat de tre första generna till "euAP3"-linjen, medan PhTM6-genen har tilldelats den mer antika "paleoAP3"-linjen [23] . Det bör noteras att ur en evolutionär historisk synvinkel verkar uppkomsten av euAP3-linjen vara associerad med uppkomsten av tvåhjärtbladiga linjer , eftersom B-generna från euAP3-linjen huvudsakligen finns i tvåhjärtbladiga och generna från paleoAP3 härstamning finns i enhjärtbladiga och paleokotblad [24] .
Som diskuterats ovan är blomorganen hos en angiosperm eudicot fördelade i 4 olika virvlar, från vilka foderblad, kronblad, ståndare och fruktblad uppstår. ABC-modellen säger att vinkeln för dessa organ bestäms av de homeotiska generna A, A+B, B+C och C. Till skillnad från foderbladen och kronbladen på Eudicot består perianten av många Liliaceae ( Liliaceae ) växter av två nästan identiska kronbladsliknande virvlar. För att förklara blommorfologin hos Liliaceae föreslog van Tanen et al 1993 en modifierad ABC-modell. Denna modell antyder att klass B-gener uttrycks inte bara i virvlar 2 och 3, utan också i virvlar 1. Det följer att organen i virvlar 1 och 2 uttrycker klass A- och B-gener och därmed får en kronbladsliknande struktur. Modellen validerades experimentellt när det var möjligt att isolera och karakterisera gener homologa med generna GLOBOSA och DEFICIENS från snapdragon från Tulipa gesneriana tulpan . Det visade sig att dessa gener uttrycktes i tre virvlar [25] .
GLOBOSA- och DEFICIENS - homologer har också isolerats från Agapanthus praecox ssp. orientalis ( Agapanthaceae ), som är fylogenetiskt långt borta från modellorganismer. Generna har fått namnet ApGLO och ApDEF . Båda har en öppen läsram och kodar för proteiner som är 210-214 aminosyrarester långa . Fylogenetisk analys av dessa gener visade att de tillhör B-genfamiljen av enhjärtbladiga . Båda generna visades vara aktiva i verticilerna 1, 2 och 3 genom hybridisering in situ . Sammantaget tyder dessa observationer på att blomutvecklingsmekanismen i Agapanthus följer en modifierad ABC-modell [26] .
I A. thaliana inkluderar klass C-gener genen som kodar för MADS-proteinet , AGAMOUS ( AG ), som är involverad i bildandet av ståndare och bär, såväl som i initieringen av det blommiga meristemet [16] . Mutanter i AG -genen saknar androecium och gynoecium , istället för vilka kronblad och foderblad utvecklas. Dessutom störs tillväxten i mitten av blomman, vilket resulterar i att kronbladen och foderbladen växer i upprepade virvlar.
PLENA ( PLE ) -genen , närvarande i A. majus istället för AG-genen, är inte dess ortolog. Homologen av AG -genen i A. majus är en annan gen, FARINELLI ( FAR ), som är involverad i ståndarknappsutveckling och pollenmognad [ 27] .
Hos petunior , snapdragons och majs utförs C-genernas funktion av ett antal gener som fungerar på samma sätt. De närmaste homologerna av AG -genen i Petunia inkluderar pMADS3 och blombindande protein 6 ( FBP6 ) [27] .
Klass D-gener upptäcktes 1995. De kodar för MADS-proteiner och har en specifik funktion som skiljer sig från alla tidigare beskrivna, även om de har en viss homologi med gener av klass C. Dessa gener inkluderar FLORAL BINDING PROTEIN7 ( FBP7 ) och FLORAL BINDING PROTEIN1L ( FBP1l ) [12] . Hos petunior har de visat sig vara involverade i utvecklingen av ägglossningar. Liknande gener hittades senare i Arabidopsis [28] , där de också kontrollerar utvecklingen av karpeller, ägglossningar och till och med vissa strukturer relaterade till fröspridning . Dessa gener kallas SHATTERPROOF 1, 2 ( SHP ) och SEEDSTICK ( STK ). SHP - genen representeras i Arabidopsis - genomet av två mycket lika kopior som utför samma funktion. Precis som det förekommer i klass B-gener måste SHP- och STK-proteinerna bilda en heterodimer för att kunna binda till DNA.
Under studiet av petunior och tomater erhölls en intressant fenotyp genom RNA-interferens , resultatet av upptäckten var att 1994 isolerades en ny funktion i blomutvecklingsmodellen och generna som motsvarar den. Ursprungligen ansågs klass E-gener endast vara involverade i utvecklingen av tre inre verticiller, men efterföljande arbete avslöjade att deras uttryck krävs för alla verticiller i en blomma [13] . Fyra klass E-gener har hittats i Arabidopsis , kallad SEPALLATA : SEP1 , SEP2 , SEP3 och SEP4 . Alla fyra generna har samma funktion och duplicerar varandra, men en mutant som är defekt i alla fyra SEP- gener utvecklar inte blomorgan, och hela blomman består helt av foderblad (egentligen löv).
ABC-modellen har skapat ordning och ett betydande lyft för forskningen om blommorfogenes, men den säger ingenting om de molekylära mekanismerna bakom denna process. År 2001 föreslog Günter Theissen [29] , baserat på litteraturdata och många observationer som samlats vid den tiden, den så kallade "kvartettmodellen". Det var säkert känt att MADS-proteiner interagerar med DNA för att bilda dimerer, vilket sker med gener i klass B och C. Baserat på det faktum att fem klasser av gener (A, B, C, D och E) är nödvändiga för blommans utveckling ( A, B, C, D och E), Theissen föreslog att produkterna från blomorganens identitetsgener fungerar som heterotetramera proteinkomplex. I efterföljande arbeten bekräftades hans hypotes och blev snart allmänt accepterad. Denna modell gjorde det möjligt att gå från den abstrakta interaktionen av gener till specifika fysiska objekt. Enligt kvartettmodellen krävs genprodukter A+E för bildning av foderblad, A+B+E för kronblad, B+C+E för ståndare, C+E för bärblad och D+E för ägglossningar. Varje par av MADS-transfaktorer kan binda till DNA som innehåller CC[A/T] 6 GG-sekvensen, förkortad som CArG-box [30] , så det antas att kvartetten av proteiner binder till två CArG-boxar vid olika DNA regioner på en gång. , vilket får honom att krypa ihop till en slinga. Sedan, beroende på sammansättningen av kvartetten, triggar eller undertrycker den uttrycket av gener från var och en av DNA-regionerna. Man tror att klass E-gener spelar en betydande roll i denna process, vilket säkerställer bindningen av två dimerer till en tetramer. Ett liknande system hittades så småningom i alla modellanläggningar. För tillfället är kvartettmodellen en allmänt accepterad modell av den molekylärbiologiska utvecklingen av en blomma [31] .
För närvarande har fem proteinkomplex identifierats för A. thaliana , som är ansvariga för utvecklingen av ett visst blomorgan [32] :