El desarrollo floral es el proceso mediante el cual las plantas con flores desencadenan una cascada de expresión génica en el meristema que da como resultado la formación del órgano reproductor , la flor . Para que esto suceda, la planta debe pasar por tres etapas de desarrollo y los cambios fisiológicos que las acompañan: primero, debe alcanzar la madurez sexual y convertirse en un individuo sexualmente maduro (es decir, la transición a la floración); en segundo lugar, debe ocurrir la transformación del meristemo apical de meristemo vegetativo a floral (es decir, debe ocurrir la formación de flores); y, finalmente, el crecimiento y desarrollo de los órganos individuales de la flor. Para explicar el mecanismo de la última etapa se acuñó el modelo ABC , que intenta describir la base biológica del proceso en términos de genética molecular y biología del desarrollo .
Para iniciar el proceso de floración se necesita un estímulo externo que pueda iniciar la diferenciación del meristemo. Este estímulo desencadena la división mitótica de las células meristemáticas, especialmente en los laterales, donde se forman los primordios florales. El mismo estímulo hace que el meristemo encienda el programa de desarrollo genético, que conducirá al crecimiento del meristemo floral. La principal diferencia entre los meristemas florales y vegetativos, además de la evidente discrepancia entre los órganos formados, es la presencia de filotaxis verticilada en el primero , cuya esencia es que se forma un embrión, entre las verticilos individuales de los órganos de los cuales no hay elongación del tallo . Estos verticilos experimentan un desarrollo acrópeto , dando lugar a sépalos , pétalos , estambres y carpelos . Otra diferencia con los meristemos axilares vegetativos es la “determinación” del meristemo floral: después de la diferenciación, sus células ya no pueden dividirse [1] .
Los meristemos florales se pueden dividir en dos tipos: meristemos generativos , a partir de los cuales se forman las inflorescencias , y que dan origen al meristemo floral , que forma los órganos de la flor. Los meristemos florales dan origen a los cuatro órganos de una flor: sépalos, pétalos de la corola, estambres y carpelos ( pistilo ). Todos los órganos florales y los meristemos correspondientes se disponen en forma de verticilos, es decir, se ubican en forma de círculos concéntricos alrededor del meristemo floral [2] . El órgano que se formará a partir de los cuatro verticilos de una flor está determinado por la interacción de al menos tres clases de genes, o más bien sus productos, cada uno de los cuales realiza su función específica. De acuerdo con el modelo ABC, las funciones del gen de clase A son necesarias para la iniciación de los verticilos del perianto y los genes de la clase C para el inicio de los verticilos reproductivos. Las funciones de estos genes son insustituibles, y la ausencia de uno de ellos hará que el otro determine la identidad de todos los meristemos florales. La función de los genes de clase B es la formación de pétalos a partir de sépalos en el segundo verticilo, así como la formación de estambres a partir de carpelos en el cuarto verticilo.
Se cree que todos los órganos de la flor son hojas modificadas o excrecencias del tallo . Esta idea fue expresada por primera vez por I. W. Goethe en el siglo XVIII . La "teoría de la flor" de Goethe se publicó por primera vez en 1790 en el ensayo "Un intento de explicar la metamorfosis de las plantas" (en alemán: Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren ) [3] , donde Goethe escribió:
Pues podemos decir igualmente bien que un estambre es un pétalo contraído, y que un pétalo es un estambre en estado de expansión; que el sépalo es una hoja de tallo contraído acercándose a un cierto grado de refinamiento, y que este último es el sépalo expandido bajo la presión de jugos gruesos.Goethe JW von Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklaren. - Gotha, Ettlinger, 1790; párrafo 120.
Durante la transición a la floración, ocurren cambios dramáticos en el ciclo de vida de las plantas, quizás incluso el más importante de todos. Todo el proceso debe transcurrir sin errores para garantizar que la planta pueda dejar descendencia. La transición comienza con la puesta de un meristemo generativo, que dará lugar a una inflorescencia o una sola flor. Este cambio morfogenético consta de elementos endógenos y exógenos. Por ejemplo, para florecer, una planta debe tener un cierto número de hojas y una cierta cantidad de biomasa total . También se necesitan condiciones externas apropiadas, como la duración del día y la temperatura . En este proceso, las fitohormonas juegan un papel importante , especialmente las giberelinas , que pueden estimular la transición a la floración [4] .
Hay muchas señales que regulan la floración a nivel biológico molecular . Sin embargo, cabe señalar que los siguientes tres genes juegan el papel principal en Arabidopsis thaliana : FLOWERING LOCUS T ( FT ), LEAFY ( LFY ), SUPRESOR OF OVEREXPRESSION OF CONSTANS1 ( SOC1 , también llamado AGAMOUS-LIKE20 ) [5] . SOC1 codifica una proteína MADS-box que integra señales de otras proteínas que responden a la duración del día, la vernalización , los niveles de sacarosa y las giberelinas [4] . SOC1 , a su vez, activa el gen LEAFY , que codifica un transfactor e inicia la cascada de genes principal que conduce a la formación de órganos florales. El producto del gen FT es una pequeña proteína con una masa de 23 kDa, que es un activador de orden superior en relación al gen SOC1 . Según los conceptos modernos, la proteína FT es el florígeno muy misterioso , cuya existencia fue postulada por M. Kh. Chailakhyan . Bajo la influencia de condiciones favorables, como la calidad de la luz, la duración del día y la vernalización, la proteína FT se sintetiza en las hojas de la planta, que ingresa al meristemo apical con el flujo de jugos del floema , donde interactúa con la proteína FD ubicada permanentemente. , que es un transfactor de tipo dedo de zinc . Juntas, estas dos proteínas desencadenan la transformación del meristema vegetativo en floral y activan el gen SOC1 corriente abajo .
Un meristemo se puede definir como un tejido o grupo de células vegetales que se compone de células madre indiferenciadas que son capaces de formar varios tejidos especializados. Su mantenimiento y desarrollo tanto en los meristemos vegetativos como generativos están controlados por el mecanismo genético de determinación y diferenciación celular. Esto significa que una serie de genes regularán directamente, por ejemplo, el mantenimiento de las células madre (el gen WUSCHEL o WUS ), mientras que otros tendrán el efecto contrario a través del mecanismo de retroalimentación negativa , inhibiendo la acción de este gen (por ejemplo, el gen CLVATA o CLV ). Ambos mecanismos forman un circuito de retroalimentación que, junto con otros elementos, le da al sistema una estabilidad significativa [6] . El gen WUS es responsable de mantener las divisiones celulares de las células meristemáticas apicales, y el gen SHOOTMERISTEMLESS ( STM ) suprime su diferenciación, pero aún permite que las células hijas se dividan. Si estas células pudieran diferenciarse, darían lugar a nuevos órganos vegetales [7] .
La anatomía de una flor, su organización clara, está diseñada para promover la reproducción sexual de las plantas con flores . Una flor se crea debido a la actividad de tres clases de genes que regulan su desarrollo [8] :
El modelo ABC de desarrollo floral fue formulado por primera vez por George Hawn y Chris Summersville en 1988 [9] . Se utilizó por primera vez como modelo para explicar la colección de muchos patrones y mecanismos genéticos identificados en la formación de una flor en la subclase de rosid por el ejemplo de Arabidopsis thaliana , y en asterids por el ejemplo de Antirrhinum majus . Ambas especies tienen cuatro verticilos (sépalos, pétalos, estambres y carpelos), cuya formación está determinada por una determinada expresión de una serie de genes homeóticos en cada uno de estos verticilos. La formación de sépalos está completamente determinada por la expresión de los genes A, pero la formación de pétalos requiere la expresión conjunta de los genes A y B. Los genes B y C determinan la identidad de los estambres, solo se necesitan los genes C para la formación de los carpelos. Cabe señalar que los genes tipo A y C son antagonistas mutuos [10] .
El hecho de que estos genes homeóticos determinen la identidad de un órgano se hace evidente cuando no se expresa un gen de una de estas clases, como el gen A. En Arabidopsis , esta pérdida de la función del gen da como resultado una flor con un verticilo de carpelos, uno de los estambres y uno adicional de los carpelos [10] . Este método de estudio de la función de los genes utiliza la genética inversa para crear plantas transgénicas a través del mecanismo de silenciamiento por interferencia de ARN . Otros estudios que utilizan métodos de genética directa , como el mapeo genético , analizan el fenotipo de flores con anomalías estructurales, a partir de las cuales se clona el gen de interés. Tal flor puede tener un alelo disfuncional o hiperactivo del gen responsable de la mutación [11] .
Además de las principales clases de genes A, B y C, se encontraron dos clases adicionales de genes, D y E. Los genes D son responsables de la formación del óvulo como un proceso separado, no asociado con la formación de carpelos (pistilo), que se produce después de su puesta [12] . La acción de los genes E es necesaria para los cuatro verticilos, aunque originalmente se asumió que solo eran necesarios para el desarrollo de los tres verticilos internos (la función de los genes E sensu stricto ) [13] . Sin embargo, en un sentido más amplio ( sensu lato ) se requieren para los cuatro verticilos [14] . Por lo tanto, cuando los genes D están desactivados, la estructura de los óvulos se altera y se vuelven similares a las hojas, y cuando la función de los genes E sensu stricto se pierde, los órganos florales de los tres verticilos internos se transforman en sépalos . 13] . Si decimos sensu lato, entonces los órganos de los cuatro verticilos se vuelven como hojas [14] . Cabe señalar que las proteínas codificadas por estos genes son proteínas de la caja MADS [15] .
Metodológicamente, el estudio del desarrollo floral se realizó en dos etapas. En primer lugar, se identificaron con precisión los genes necesarios para la iniciación del meristemo floral. En A. thaliana , estos genes incluyen APETALA1 ( AP1 ) y LEAFY ( LFY ). Luego se realizó un análisis genético de fenotipos aberrantes según las características relativas de las flores, lo que permitió caracterizar los genes homeóticos involucrados en el proceso.
Análisis de mutacionesSe han encontrado muchas mutaciones que afectan la morfología de las flores , aunque el análisis sistemático de los mutantes relevantes ha sido relativamente reciente. Muchos de ellos cambian la identidad de los órganos de la flor, por ejemplo, unos órganos se desarrollan en el lugar donde deberían haberse desarrollado otros. Estas son las llamadas mutaciones homeóticas , que son similares a las mutaciones en los genes HOX que se encuentran en Drosophila . En Arabidopsis y Antirrhinum , los dos taxones en los que se basa el modelo ABC, estas mutaciones siempre afectan a los verticilos adyacentes. De acuerdo con esto, todas las mutaciones se pueden dividir en tres clases, según a qué verticilos afecten:
Se ha clonado el ADN de los genes responsables de las mutaciones homeóticas en los mutantes mencionados anteriormente y se han investigado sus estructuras y productos. El estudio utilizó análisis de expresión génica en serie para determinar el patrón de expresión génica en diferentes tejidos a lo largo del desarrollo de la flor. El lugar y la secuencia de expresión generalmente coincidían con los predichos por el modelo ABC.
Por naturaleza, se ha descubierto que las proteínas codificadas en estos genes son factores de transcripción . Un grupo similar de factores de transcripción, como era de esperar, se encuentra en levaduras y animales . Este grupo se denomina proteínas MADS ; nombre - un acrónimo de las primeras letras de los nombres de los primeros cuatro miembros de esta familia. Se han encontrado factores MADS en todas las especies de plantas estudiadas, aunque no se puede descartar que otros elementos también puedan estar involucrados en la regulación de la expresión génica [8] .
En A. thaliana , la clase A está representada por dos genes: APETALA1 ( AP1 ) y APETALA2 ( AP2 ) [16] . AP1 es una proteína MADS-box y AP2 pertenece a la familia CBF de genes que codifican proteínas que tienen un dominio AP2. Esta familia consta de tres factores de transcripción y se encuentra sólo en las plantas [17] . AP1 controla la iniciación de sépalos y flores, y también es activo en el meristemo floral. AP2 funciona no solo en los dos primeros verticilos (sépalos y pétalos), sino también en los dos verticilos internos, así como en el desarrollo de óvulos e incluso en hojas y brotes. También se ha demostrado que su expresión es necesaria para la germinación de semillas. Es muy probable que exista algún mecanismo de regulación postranscripcional que afecte su capacidad para realizar la función A, o que tenga funciones en el proceso de diferenciación de órganos que no estén relacionadas con la formación de flores [17] .
En Antirrhinum , un gen ortólogo a AP1 se llama SQUAMOSA ( SQUA ) y también afecta al meristemo floral. AP2 es homólogo a los genes LIPLESS1 ( LIP1 ) y LIPLESS2 ( LIP2 ), que tienen una función intercambiable y están involucrados en el desarrollo de sépalos, pétalos y óvulos [18] .
Se han aislado tres genes similares a AP2 de Petunia hybrida : APETALA2A ( PhAP2A ), PhAP2B y PhAP2C . PhAP2A es en gran parte homólogo al gen AP2 de Arabidopsis , tanto en términos de secuencia primaria de aminoácidos como de patrón de expresión, lo que sugiere que estos dos genes son ortólogos. Las proteínas PhAP2B y PhAP2C, por el contrario, son algo diferentes de AP2, aunque pertenecen a una familia de factores de transcripción similar a la familia AP2. Además, ambos genes se expresan de manera diferente, aunque son muy similares en comparación con PhAP2A . De hecho, las mutaciones en estos genes no producen el fenotipo habitual correspondiente al alelo nulo de los genes A. [19] De hecho, no se han encontrado genes de función A verdaderos en petunias; parte de las funciones A (inhibición de los genes de clase C en los dos verticilos externos) estuvo mediada en gran medida por miRNA169 (coloquialmente denominado CIEGO).
En A. thaliana , solo dos genes pertenecen a la clase de genes B: APETALA3 ( AP3 ) y PISTILLATA ( PI ), ambos codifican proteínas MADS . Una mutación en al menos uno de estos genes provoca la transformación homeótica de pétalos en sépalos y estambres en carpelos [20] . Lo mismo sucede con los genes ortólogos en A. majus : DEFICIENS ( DEF ) y GLOBOSA ( GLO ) [21] . En ambas especies, estas proteínas funcionan como heterodímeros: AP3 y PI o DEF y GLO. Solo de esta forma pueden unirse al ADN [22] .
En las petunias, el gen equivalente GLO/PI ha sufrido una duplicación , lo que ha dado como resultado dos genes: P. hybrida GLOBOSA1 ( PhGLO1 , también llamado FBP1 ) y PhGLO2 (llamado PMADS2 o FBP3 ). En cuanto al gen que es equivalente en función a AP3/DEF , la petunia tiene un gen con una secuencia relativamente similar llamado PhDEF , y otro gen de función B atípica, PhTM6 . Los estudios filogenéticos han asignado los primeros tres genes al linaje "euAP3", mientras que el gen PhTM6 ha sido asignado al linaje más antiguo "paleoAP3" [23] . Cabe señalar que, desde el punto de vista de la historia evolutiva, la aparición del linaje euAP3 parece estar asociada con la aparición de dicotiledóneas , ya que los genes B del linaje euAP3 están presentes principalmente en dicotiledóneas, y los genes del linaje euAP3 El linaje paleoAP3 está presente en monocotiledóneas y paleodicotiledóneas [24] .
Como se discutió anteriormente, los órganos florales de una eudicot angiosperma se distribuyen en 4 verticilos diferentes, de los cuales surgen sépalos, pétalos, estambres y carpelos. El modelo ABC establece que el esbozo de estos órganos está determinado por los genes homeóticos A, A+B, B+C y C. A diferencia de los sépalos y pétalos de Eudicot, el perianto de muchas plantas de Liliaceae ( Liliaceae ) consta de dos verticilos parecidos a pétalos casi idénticos. Para explicar la morfología de las flores de las liliáceas , en 1993 van Tanen et al., propusieron un modelo ABC modificado. Este modelo sugiere que los genes de clase B se expresan no solo en los verticilos 2 y 3, sino también en el verticilo 1. De ello se deduce que los órganos de los verticilos 1 y 2 expresan genes de clase A y B y, por lo tanto, adquieren una estructura similar a un pétalo. El modelo fue validado experimentalmente cuando fue posible aislar y caracterizar genes homólogos a los genes GLOBOSA y DEFICIENS de la boca de dragón del tulipán Tulipa gesneriana . Al final resultó que, estos genes se expresaron en tres verticilos [25] .
Los homólogos de GLOBOSA y DEFICIENS también se han aislado de Agapanthus praecox ssp. orientalis ( Agapanthaceae ), que está filogenéticamente lejos de los organismos modelo. Los genes se han denominado ApGLO y ApDEF . Ambos tienen un marco de lectura abierto y codifican proteínas de 210 a 214 residuos de aminoácidos de longitud . El análisis filogenético de estos genes mostró que pertenecen a la familia de genes B de las monocotiledóneas . Mediante hibridación in situ se demostró que ambos genes estaban activos en los verticilos 1, 2 y 3. En conjunto, estas observaciones sugieren que el mecanismo de desarrollo de las flores en Agapanthus sigue un modelo ABC modificado [26] .
En A. thaliana , los genes de clase C incluyen el gen que codifica la proteína MADS , AGAMOUS ( AG ), que está involucrada en la formación de estambres y carpelos, así como en la iniciación del meristemo floral [16] . Los mutantes en el gen AG carecen de androceo y gineceo , en lugar de los cuales se desarrollan pétalos y sépalos. Además, se altera el crecimiento de la mitad de la flor, como resultado de lo cual los pétalos y los sépalos crecen en verticilos repetidos.
El gen PLENA ( PLE ), presente en A. majus en lugar del gen AG, no es su ortólogo. El homólogo del gen AG en A. majus es otro gen, FARINELLI ( FAR ), que participa en el desarrollo de las anteras y la maduración del polen [27] .
En las petunias , las bocas de dragón y el maíz , la función de los genes C la realizan una serie de genes que operan de la misma manera. Los homólogos más cercanos del gen AG en Petunia incluyen pMADS3 y proteína de unión floral 6 ( FBP6 ) [27] .
Los genes de clase D se descubrieron en 1995. Codifican proteínas MADS y tienen una función específica que difiere de todas las descritas anteriormente, aunque tienen cierta homología con genes de clase C. Estos genes incluyen PROTEÍNA DE UNIÓN FLORAL7 ( FBP7 ) y PROTEÍNA DE UNIÓN FLORAL1L ( FBP1l ) [12] . En las petunias , se ha descubierto que están involucradas en el desarrollo de los óvulos. Más tarde se encontraron genes similares en Arabidopsis [28] , donde también controlan el desarrollo de carpelos, óvulos e incluso algunas estructuras relacionadas con la dispersión de semillas . Estos genes se denominan SHATTERPROOF 1, 2 ( SHP ) y SEEDSTICK ( STK ). El gen SHP está representado en el genoma de Arabidopsis por dos copias muy similares que realizan la misma función. Al igual que ocurre en los genes de clase B, las proteínas SHP y STK deben formar un heterodímero para poder unirse al ADN.
Durante el estudio de petunias y tomates , se obtuvo un interesante fenotipo por RNA de interferencia , cuyo resultado fue que en 1994 se aisló una nueva función en el modelo de desarrollo floral y los genes correspondientes. Inicialmente, se pensó que los genes de clase E estaban involucrados solo en el desarrollo de tres verticilos internos, pero el trabajo posterior reveló que su expresión es necesaria para todos los verticilos de una flor [13] . Se han encontrado cuatro genes de clase E en Arabidopsis , denominados SEPALLATA : SEP1 , SEP2 , SEP3 y SEP4 . Los cuatro genes realizan la misma función y se duplican entre sí, sin embargo, un mutante defectuoso en los cuatro genes SEP no desarrolla órganos florales y toda la flor consiste completamente en sépalos (en realidad, hojas).
El modelo ABC ha traído orden y un impulso significativo a la investigación sobre la morfogénesis de las flores, pero no dice nada sobre los mecanismos moleculares detrás de este proceso. En 2001 Günter Theissen [29] , basándose en los datos de la literatura y numerosas observaciones acumuladas hasta ese momento, propuso el llamado “modelo del cuarteto”. Se sabía con certeza que las proteínas MADS interactúan con el ADN para formar dímeros, como ocurre con los genes de clase B y C. Basado en el hecho de que cinco clases de genes (A, B, C, D y E) son necesarias para el desarrollo de las flores ( A, B, C, D y E), Theissen sugirió que los productos de los genes de identidad de los órganos florales funcionan como complejos proteicos heterotetraméricos. En trabajos posteriores, su hipótesis fue confirmada y pronto fue generalmente aceptada. Este modelo hizo posible pasar de la interacción abstracta de genes a objetos físicos específicos. Según el modelo de cuarteto, los productos génicos A+E son necesarios para la formación de sépalos, A+B+E para pétalos, B+C+E para estambres, C+E para carpelos y D+E para óvulos. Cada par de transfactores MADS puede unirse al ADN que contiene la secuencia CC[A/T] 6 GG, abreviada como caja CArG [30] , por lo que se supone que el cuarteto de proteínas se une a dos cajas CArG en diferentes ADN. regiones a la vez. , haciendo que se acurruque en un bucle. Luego, dependiendo de la composición del cuarteto, desencadena o suprime la expresión de genes de cada una de las regiones del ADN. Se cree que los genes de clase E juegan un papel importante en este proceso, asegurando la unión de dos dímeros en un tetrámero. Finalmente se encontró un sistema similar en todas las plantas modelo. Por el momento, el modelo del cuarteto es un modelo generalmente aceptado del desarrollo biológico molecular de una flor [31] .
Por el momento, se han identificado cinco complejos de proteínas para A. thaliana , que son responsables del desarrollo de un órgano floral en particular [32] :