fiziologija

23.12.2008

1

Flower development BL5400

INDUKCIJA CVJETANJA• Autonomna regulacija – ovisi o starosti, veličini

i drugim unutarnjim čimbenicima (osjetljivost na okolišne čimbenike)

Cvjetanje usporedo s vegetativnim rastom (grah, rajčica) – rast cvjetova na bočnim pupovimacvjetova na bočnim pupovima

Cvjetanje kao kraj vegetativnog rasta (suncokret, pšenica, duhan) –razvoj cvijeta na glavom izdanku

Minimalni period vegetativnog rasta (dužina vremenskog perioda varira)

4 poticajna puta za cvatnju

• Autonomni• Dugodnevni fotoperiod• Giberelini• Giberelini• Vernalizacija

FOTOPERIODIZAM

Indukcija cvjetanja ovisi o trajanju osvjetljenja

Tradicionalna klasifikacija biljaka obzirom na fotoperiodizam

a)Biljke kratkog dana: razvitak cvijeta potaknut je u uvjetima kratkog dana – riza, sečerna trska, krizantema

b)Biljke dugog dana: razvitak cvijeta potaknut je u uvjetima dugog dana – trave, žitarice, špinat, salata, repa, lan, djetelina

c)Neutralne biljke – neosjetljive na duljinu dana –krastavac, rajčica, bob, heljda

23.12.2008

2

BILJKE DUGOG DANA (BDD) – razvitak cvijeta se potiče (kvalitativne BDD) ili ubrzava (kvantitativne BDD) izlaganjem uvjetima DD

BILJKE KRATKOG DANA (BKD) – cvjetaju samo u uvjetima KD (kvalitativne BKD) ili se cvjetanje ubrzava izlaganjem KD (kvantitativne BKD)

Biljka dugog dana (špinat) ne cvjeta u uvjetimakratkog dana (lijevo), ali cvjeta u uvjetimadugog dana (desno).

Biljka kratkog dana (krizantema) cvjeta uuvjetima kratkog dana (lijevo), ali ne cvjeta uuvjetima dugog dana (desno).

Ostali odgovori izazvani svjetlom

• dužina internodija se skraćuje u uvjetima KD, npr biljke DD koje u uvjetima KD pokazuju rozetasti rast (Hyosciamus niger)• vriježe u jagoda se razvijaju samo pri DD• razvoj gomolja bolji u uvjetima KD j g j j j• luk za razvoj lukovica treba DD

Koji dio biljke detektira uvjete dnevnog svjetla?

Chailachjanov pokus

Biljke duljinu dana osjećaju listovima

Učinak fotoperiodičkog tretmana listova i vegetacijskog vrška na cvjetanje vrste Chrysanthemum morifolium (BKD).

• riža (Oryza sativa) ne cvjeta ako se duljina noći skrati za 15

BKD

Da li je bitna duljina dana ili noći?

• riža (Oryza sativa) ne cvjeta ako se duljina noći skrati za 15-20 min

• obična dikica (Xanthium strumarium) cvjeta samo ako je duljina noći 8 sati i 15 min ili više

• soja (Glycine max) cvjeta samo ako je razdoblje tame 10 sati i više

23.12.2008

3

Biljke kratkog dana cvjetaju kada je razdoblje tame dulje od kritičnog. Prekid razdoblja tamekratkim osvjetljavanjem (poremećajna svjetlost) spriječit će cvjetanje biljaka kratkog dana.Biljke dugog dana cvjetaju samo ako je razdoblje tame kraće od kritičnog. Poremećajnasvjetlost potiče cvjetanje biljaka dugog dana. Vrijeme prekida razdoblja tame poremećajnom svjetlošću određuje cvjetanje. Poremećajna

svjetlost primijenjena tijekom duge noći stimulira cvjetanje BDD i inhibira cvjetanje BKD. Uoba slučaja najsnažniji učinak ima poremećajna svjetlost primijenjena sredinom 16-satnograzdoblja tame.

Biljke dikice (Xanthium strumarium) s dva izdanka od kojih je jedan izdanak bio izloženuvjetima kratkog dana (označeno sivom bojom), a ostatak biljke uvjetima dugog dana. Obaizdanka su cvjetala (C) ako su se na izdanku izloženom uvjetima kratkog dana nalazili listovi.Dovoljna je bila prisutnost samo 1/8 lista (sredina). No, ako na izdanku izloženom kratkomdanu nije bilo listova, oba su izdanka ostala u vegetativnom stanju (V).

Dvije biljke dikice (Xanthium) spojene su cijepljenjem. Jedan izdanak je držan u uvjetimakratkog dana (označeno sivom bojom), a drugi u uvjetima dugog dana. Oba su izdankacvjetala. No, ako su držani u uvjetima dugog dana, niti jedan nije cvjetao. To je dokaz da sehipotetski hormon cvjetanja, florigen, može prenijeti cijepljenjem.

23.12.2008

4

TEMPERATURA i cvjetanje

VERNALIZACIJA – proces u kojem se cvjetanje stimulira izlaganjem hladnoći sjemenki imibiranih vodom ili rastućih biljaka

JEDNOGODIŠNJE BILJKE: ozime žitarice, vjesnica (Erophila verna), metlac (Aira praecox), potočnica (Myosotis discolor), divlja čestoslavica (Veronica agrestis)

DVOGODIŠNJE BILJKE: repa (Beta vulgaris) celer (Apium graveolens) keljDVOGODIŠNJE BILJKE: repa (Beta vulgaris), celer (Apium graveolens), kelj, velecvjetna zvončika (Campanula medium), mjesečnica (Lunaria biennis), grimizni naprstak (Digitalis purpurea)

TRAJNICE: jaglaci (Primula spp.), ljubice (Viola spp.), neke krizanteme (Chrysanthemum morifolium), neki zvjezdani (Aster spp.), karanfili (Dianthusspp.), ljulj (Lolium perenne)

TEMERATURA i cvjetanje

Embrio je osjetljiv na vernalizaciju, ne endosperm.Vernalizirani embrio uzgajan in vitro odmah se razvija u cvjetni pup.Vernalizacija tijekom rasta – veg.vršak

Vernalizacija suprimira FLC gen (represor indukcije cvjetanja) mehanizmom metilacije

Povezanost zahtjeva za vernalizacijom i određenim fotoperiodom u dvogodišnjim biljkama bunike (Hyosciamus niger, BDD).

23.12.2008

5

FLORIGEN – HIPOTETSKI HORMON CVJETANJA ☺

A)Uvjeti cvjetanja prenose se nacjepljivanjem

B)Stimulus je isti kod biljaka dugog i kratkog dana

C)Kemijska priroda florigena je još nepoznata

1936 Chailakhyan

Transkripcijski regulatori:

CONSTANZ (CO) – ekspresija povezana s fotoperiodom

FLOWERING LOCUS C (FLC) - koči induktore cvjetanja a negativno je reguliran D.D. i vernalizacijom

Komponente florigenskog učinka (2006)

DJELOVANJE REGULATORA RASTA NA CVJETANJEPoticaj cvjetanja: hormoni i nutritivne tvari

egzogeni giberelini mogu zamijeniti fotoperiodičku indukciju i vernalizaciju u nekim biljkama – mogu potaknuti cvjetanje BDD koje u uvjetima KD imaju oblik rozete, nekih BKD u uvjetima DD i ubrzati cvjetanje nekih juvenilnih četinjača

auksini i etilen mogu potaknuti cvjetanje ananasa

kinetin može potaknuti cvjetanje vrste Perilla

zeatin može potaknuti cvjetanje vodene biljke Wolffia microscopica

4 poticajna puta za cvatnju

• Dugodnevni fotoperiod• Giberelini• Autonomni• Autonomni• vernalizacija

Stadiji prijelaza iz vegetativne u cvjetnu (generativnu) fazu

1) Vegetativni rast prelazi u reproduktivni

The first class are Flowering Time genes, mutations in which cause early or late flowering. Flowering Time genes can themselves be divided into distinct classes, based on their differential responses to a number of environmental conditions, such as day length and vernalization.

(vremenski geni)2) Uspostava cvjetnog identiteta meristema3) Uspostava identiteta cvjetnih organa4) Razvoj organa cvijeta

The second class specifies Meristem Identity, and includes genes such as LEAFY, APETALA1, and CAULIFLOWER which specify flower meristem identity, as well as TERMINAL FLOWERwhich maintains inflorescence meristem identity.

A third class includes the Flower Organ Identity genes, which determine the fate of organ primordia and are incorporated into the "ABC" model of flower development. Examples of organ identity genes include APETALA1 (which is involved in both meristem and organ identity), APETALA2, APETALA 3, PISTILLATA and AGAMOUS.

23.12.2008

6

Faze razvoja cvijeta

• Vrsni meristem

• Cvatni (Inflorescence) meristem( )

• Cvjetni meristem

• Cvjetni organi

MERISTEMSKI PLAŠT

Modifikacija veg. vrškaLapovi i laticePrašnici i plodni listovi

Razvojni stadiji tijekom stvaranja cvjetnog pupavrste Capparis spinosa. (A) Stvaranje začetakaprvog prstena prašnika. (B) Stvaranje začetakadrugog prstena prašnika. Začeci plodnih listovaprisutni su na vršnom dijelu.

P – latice, R – prsten prašnika, St – prašnik

23.12.2008

7

Ontogenetsko (postgenitalno) stapanje

ZAMETANJE I RAZVITAK CVIJETA

1 = pedicel (or peduncle)=cvjetna stapka; 2 = receptacle=cvjetna os; 3 = sepal (calyx) =lapovi; 4 = petal =latice; 5= (corolla)=kruna 6 = filament; 7 = anther =prasnica;8 = stamen (androecium)=prasnik; 9 = ovary =plodnica 10 = ovule =sjemeni zametak; 11 = style=vrat tučka 12 = stigma=njuška tučka 13 = pistil (gynoecium)=tučak;

23.12.2008

8

Vegetativni – cvjetni meristem

-Produljivanje fitomera-Terminalne skupine cvjetnih pupova-Aksilarni fitomeri s terminalnim c jeto imacvjetovima

Genes, genes, genes!!!• Floral meristem geni

• Organ identity geni

• Organ polarity genes Leafy – GA senzitivan promotor

Agamous like

Transkripcijski regulatori:

CONSTANZ (CO) – ekspresija povezana s fotoperiodom

FLOWERING LOCUS C (FLC) - koči induktore cvjetanja a negativno je reguliran D.D. i vernalizacijom

Biosinteza giberelina u listovima ovisna je o fotoperiodu i izlaganju hladnoci

23.12.2008

9

U primordijima usmjeravaju razvoj u cvjetove a ne izdanke.LFY određuje meristem kao cvjetni

APETALA1 and LEAFY areAPETALA1 and LEAFY, are required for the transition of an inflorescence meristem into a floral meristem

Consistent with the loss of function phenotype constitutiveConsistent with the loss-of-function phenotype, constitutive expression of LFY from the CaMV35S promoter leads to a conversion of shoots into flowers, indicating that LFY is sufficient to specify flower meristem identity. The LFY protein binds DNA in vitro, and appears to function as a novel type of transcriptional regulator. Although LFY RNA accumulates at low levels during vegetative development, LFY expression is significantly up-regulated in emerging flower primordia.

23.12.2008

10

Organ identity genesABC model

cartoon of ABC modelshowing whorls determinedby interactions of classA, B, C, and LEAFY genes

23.12.2008

11

In the “ABC” model of floral organ development, organ identity is controlled by the expression of (at least) three classes of genes (A, B and C) in overlapping domains. In the first whorl, A-type genes are expressed alone and produce sepals. In the second whorl, the co-expression of A- and B-type genes results in the production of petals. In the third whorl, the co-expression of B-type

The ABC model of floral organ identity

third whorl, the co expression of B typeand C-type genes produces stamens, whereas the expression of C-type genes in the central or fourth whorl produces carpels. The activities of A-type and C-type genes are mutually antagonistic, as indicated by barred lines: A prevents the activity of C in whorls 1 and 2, while C prevents the activity of A in whorls 3 and 4.

e.g., AP3, APETALA3; LFY, LEAFY; PI, PISTILLATA.

1 2 3 4whorls

23.12.2008

12

A-group specific gene, APETALA2 is required for formation of whorl 1 and whorl 2

Central role in floral meristem establishment Strong ap2 mutants, sepals are transformed into carpels and petal development is supressedRegulate floral organ development

Wild type flower and ap2 mutant

Jokufu et al, 1994. The plant cell vol 6 pp.1211-1225

B class genes APELATA 3 and PISTILATA controls development of whorl 2 and 3

* APETALA and PISTILATA genes encode MADS domain and are necessary andsufficient to specify petal and stamen identity in the flower

•AP3/PI hetero-dimer binds to the sequence in the AP3 promoter that are necessary for AP3t expression and can activate transcription in absence of protein synthesis

*study was carried out by combination of class A and C genesstudy was carried out by combination of class A and C genes

*Phenotypic analysis of AP3/PI over-expression lines indicated their additional roles in proliferation of floral meristem

Krizek and Meyerowitz, 1996. Development 122, 11-22

Wild type and pistilata flower

AGAMOUS, C-group specific gene

-Flowers with this mutation have petals in whorl 3 instead of stamens, and sepals in whorl 4 instead of carpels.

-the floral meristem is not determinate - flowers continue to form within the flowers, so the pattern of organs (from outside to inside) is: sepal, petal, petal; sepal, petal, petal; sepal, petal, petal, etc.

http://biology.kenyon.edu/courses/biol114/Chap13/Chapter_12C.html

What are MADS box genes?• The MADS box is a highly conserved sequence motif found in a family of

transcription factors. The conserved domain was recognized after the first four members of the family, which were MCM1, AGAMOUS, DEFICIENS and SRF (serum response factor). The name MADS was constructed form the "initials" of these four "founders".

• The MADS box genes in flowering plants are the "molecular architects" of• The MADS box genes in flowering plants are the molecular architects of flower morphogenesis.

23.12.2008

13

ABCE model (2000)

23.12.2008

14

Figure 2. The revised ABC model of flower organ identity.A-function genes, (APETALA1 [AP1] in Arabidopsis) arenecessary for the formation of the sepals, B-function genes(APETALA3 [AP3] and PISTILLATA [PI] in Arabidopsis),together with A-function genes, are necessary for theformation of the petals. The B-function genes, along withthose of C-function (AGAMOUS [AG] in Arabidopsis), arenecessary for the formation of the stamens, and C-functiongenes alone are necessary for the formation of g ythe carpels.The ABC model has been gradually expanded to includeclass D- and E-function genes, which are necessary for theovules and the definition of the floral whorls, respectively.D-function genes in Arabidopsis include SEEDSTICK (STK)as well as SHATTERPROOF1 and SHATTERPROOF2(SHP1 and SHP2). E-function sensu lato requires at leastone of the four SEPALLATA (SEP1, SEP2, SEP3 and SEP4)genes (adapted from Theissen 2001; Theissen and Saedler2001; Zahn et al., 2005).

Fig. 4. MADS-box protein interactions in Arabidopsis. Interactions between Arabidopsis MADS-box proteins observed in yeast two-hybrid screens (de Folter et al., 2005, and references therein; Moon et al., 1999a; Fornara et al., 2002; Lee et al., 2003a; Favaro et al.,2004). Proteins that were used as a bait against cDNA libraries are surrounded by a black circle. Orange, SQUA-like proteins; blue, DEF- andGLO-like proteins; yellow, AG-like proteins; green, SEP-like proteins.

23.12.2008

15