Modelo ABC de desarrollo floral.

El modelo ABC de desarrollo floral es un modelo científico del proceso por el cual las plantas con flores producen un patrón de expresión genética en los meristemas que conduce a la aparición de un órgano orientado a la reproducción sexual, una flor. . Hay tres desarrollos fisiológicos que deben ocurrir para que esto suceda: en primer lugar, la planta debe pasar de la inmadurez sexual a un estado sexualmente maduro (es decir, una transición hacia la floración); en segundo lugar, la transformación de la función del meristemo apical de meristemo vegetativo a meristemo floral o inflorescencia; y finalmente el crecimiento de los órganos individuales de la flor. Esta última fase se ha modelado utilizando el modelo ABC, que pretende describir las bases biológicas del proceso desde la perspectiva de la genética molecular y del desarrollo.

Se requiere un estímulo externo para desencadenar la diferenciación del meristemo en un meristemo floral. Este estímulo activará la división celular mitótica en el meristemo apical, particularmente en sus lados donde se forman nuevos primordios. Este mismo estímulo también hará que el meristemo siga un patrón de desarrollo que conducirá al crecimiento de meristemas florales en lugar de meristemas vegetativos. La principal diferencia entre estos dos tipos de meristemo, aparte de la obvia disparidad entre el órgano objetivo, es la filotaxis verticilada (o verticilada), es decir, la ausencia de elongación del tallo entre los sucesivos verticilos o verticilos del primordio. Estos verticilos siguen un desarrollo acropetal dando lugar a sépalos, pétalos, estambres y carpelos. Otra diferencia con los meristemas axilares vegetativos es que el meristemo floral está “determinado”, lo que significa que, una vez diferenciados, sus células ya no se dividirán.

La identidad de los órganos presentes en los cuatro verticilos florales es consecuencia de la interacción de al menos tres tipos de productos genéticos, cada uno con funciones distintas. Según el modelo ABC, se requieren las funciones A y C para determinar la identidad de los verticilos del perianto y los verticilos reproductivos, respectivamente. Estas funciones son excluyentes y la ausencia de una de ellas hará que la otra determine la identidad de todos los verticilos florales. La función B permite la diferenciación de pétalos de sépalos en el verticilo secundario, así como la diferenciación del estambre del carpelo en el verticilo terciario.

La teoría foliar de Goethe fue formulada en el siglo XVIII y sugiere que las partes constituyentes de una flor son hojas estructuralmente modificadas, que están funcionalmente especializadas para la reproducción o protección. La teoría se publicó por primera vez en 1790 en el ensayo "Metamorfosis de las plantas" ("Versuch die Metamorphose der Pflanzen zu erklären"). donde Goethe escribió:

"...podemos igualmente decir que un estambre es un pétalo contratado, ya que un pétalo es un estambre en un estado de expansión; o que un sépalo es una hoja de tallo contratada que se acerca a una determinada etapa de refinamiento, ya que una hoja de tallo es un sépalo expandido por la afluencia de sapas de cruder".

Transición floral

El paso de la fase vegetativa a la reproductiva supone un cambio dramático en el ciclo vital de la planta, quizás el más importante, ya que el proceso debe realizarse correctamente para garantizar que la planta produzca descendencia. . Esta transición se caracteriza por la inducción y desarrollo del meristemo de la inflorescencia, que producirá una colección de flores o una flor. Este cambio morfogenético contiene elementos tanto endógenos como exógenos: por ejemplo, para que se inicie el cambio, la planta debe tener un cierto número de hojas y contener un cierto nivel de biomasa total. También se requieren ciertas condiciones ambientales como un fotoperiodo característico. Las hormonas vegetales desempeñan un papel importante en este proceso, siendo especialmente importante las giberelinas.

Hay muchas señales que regulan la biología molecular del proceso. Los siguientes tres genes en Arabidopsis thaliana poseen funciones comunes e independientes en la transición floral: FLOWERING LOCUS T (FT), HOLIDOS (LFY), SUPRESOR DE SOBREEXPRESIÓN DE CONSTANS1 (SOC1, también llamado AGAMOUS-LIKE20). SOC1 es un gen tipo caja MADS, que integra respuestas al fotoperiodo, vernalización y giberelinas.

Formación del meristemo floral o de la inflorescencia

El meristemo se puede definir como el tejido o grupo de tejidos vegetales que contienen células madre indiferenciadas, que son capaces de producir cualquier tipo de tejido celular. Su mantenimiento y desarrollo, tanto en el meristemo vegetativo como en el meristemo de la inflorescencia, está controlado por mecanismos genéticos de determinación del destino celular. Esto significa que una serie de genes regularán directamente, por ejemplo, el mantenimiento de las características de las células madre (gen WUSCHEL o WUS), y otros actuarán mediante mecanismos de retroalimentación negativa para inhibir una característica (gen CLAVATA o CLV). De esta forma ambos mecanismos dan lugar a un bucle de retroalimentación, que junto con otros elementos aportan mucha robustez al sistema. Junto con el gen WUS, el gen SHOOTMERISTEMLESS (STM) también reprime la diferenciación de la cúpula meristemática. Este gen actúa inhibiendo la posible diferenciación de las células madre, pero aún permite la división celular en las células hijas, que, si se les hubiera permitido diferenciarse, habrían dado origen a órganos distintos.

Arquitectura floral

La anatomía de una flor, definida por la presencia de una serie de órganos (sépalos, pétalos, estambres y carpelos) colocados según un patrón determinado, facilita la reproducción sexual en las plantas con flores. La flor surge de la actividad de tres clases de genes, que regulan el desarrollo floral:

• Genes de identidad de Meristem, que código para los factores de transcripción requeridos para iniciar la inducción de los genes de identidad. Son reguladores positivos de la identidad de órgano durante el desarrollo floral.
• Organ identity genes, que controla directamente la identidad de órgano y también código para factores de transcripción que controlan la expresión de otros genes, cuyos productos están implicados en la formación o función de los distintos órganos de la flor.
• génes catastróficos, que actúan como reguladores espaciales para los genes de identidad órgano definiendo límites para su expresión. De esta manera controlan la medida en que los genes interactúan, regulando así si actúan en el mismo lugar al mismo tiempo.

El modelo ABC

El modelo ABC de desarrollo floral fue formulado por primera vez por George Haughn y Chris Somerville en 1988. Se utilizó por primera vez como modelo para describir el conjunto de mecanismos genéticos que establecen la identidad de los órganos florales en las Rósidas, como lo ejemplifica Arabidopsis thaliana, y las Asteridas, como lo demuestra Antirrhinum majus. Ambas especies tienen cuatro verticilos (sépalos, pétalos, estambres y carpelos), que se definen por la expresión diferencial de una serie de genes homeóticos presentes en cada verticilo. Esto significa que los sépalos se caracterizan únicamente por la expresión de los genes A, mientras que los pétalos se caracterizan por la coexpresión de los genes A y B. Los genes B y C establecen la identidad de los estambres y los carpelos sólo requieren genes C para estar activos. Los genes tipo A y C son recíprocamente antagónicos.

El hecho de que estos genes homeóticos determinen la identidad de un órgano se hace evidente cuando un gen que representa una función particular, por ejemplo el gen A, no se expresa. En Arabidopsis esta pérdida da como resultado una flor que se compone de un verticilo de carpelos, otro que contiene estambres y otro de carpelos. Este método para estudiar la función de los genes utiliza técnicas de genética inversa para producir plantas transgénicas que contienen un mecanismo de silenciamiento de genes mediante interferencia de ARN. En otros estudios, utilizando técnicas de genética directa como el mapeo genético, es el análisis de los fenotipos de flores con anomalías estructurales lo que conduce a la clonación del gen de interés. Las flores pueden poseer un alelo no funcional o sobreexpresado para el gen que se está estudiando.

También se ha propuesto la existencia de dos funciones suplementarias, D y E, además de las funciones A, B y C ya comentadas. La función D especifica la identidad del óvulo, como función reproductiva separada del desarrollo de los carpelos, que ocurre después de su determinación. La función E se relaciona con un requerimiento fisiológico que es característico de todos los verticilos florales, aunque inicialmente se describió como necesaria para el desarrollo de los tres verticilos más internos (Función E sensu estricto). Sin embargo, su definición más amplia (sensu lato) sugiere que es obligatorio en los cuatro verticilos. Por lo tanto, cuando se pierde la Función D la estructura de los óvulos se vuelve similar a la de las hojas y cuando se pierde la Función E en sentido estricto, los órganos florales de los tres verticilos más externos se transforman en sépalos, mientras que en Al perder la función E sensu lato, todos los verticilos son similares a hojas. Los productos genéticos de genes con funciones D y E también son genes de caja MADS.

Análisis genético

La metodología para estudiar el desarrollo de las flores implica dos pasos. En primer lugar, la identificación de los genes exactos necesarios para determinar la identidad del meristemo floral. En A. thaliana estos incluyen APETALA1 (AP1) y LEAFY (LFY). En segundo lugar, se realiza un análisis genético de los fenotipos aberrantes de las características relativas de las flores, lo que permite caracterizar los genes homeóticos implicados en el proceso.

Análisis de mutantes

Existen multitud de mutaciones que afectan a la morfología floral, aunque el análisis de estas mutantes es un desarrollo reciente. La evidencia que respalda la existencia de estas mutaciones proviene del hecho de que un gran número afecta la identidad de los órganos florales. Por ejemplo, algunos órganos se desarrollan en un lugar donde otros deberían desarrollarse. Esto se llama mutación homeótica, que es análoga a las mutaciones del gen HOX que se encuentran en Drosophila. En Arabidopsis y Antirrhinum, los dos taxones en los que se basan los modelos, estas mutaciones siempre afectan a los verticilos adyacentes. Esto permite caracterizar tres clases de mutaciones, según las cuales los verticilos se ven afectados:

• Mutaciones en genes tipo A – Estas mutaciones afectan el cáliz y la corola, que son los verticils más externos. En estos mutantes, como APETALA2 en A. thaliana, carpeles desarrollan en lugar de sépalos y estambres en lugar de pétalos. Esto significa que los verticils del perianto se transforman en verticils reproductivos.
• Mutaciones en genes tipo B – Estas mutaciones afectan la corola y los estambres, que son los vértices intermedios. Se han encontrado dos mutaciones A. thaliana, APETALA3 y PISTILLATA, que causan el desarrollo de sépalos en lugar de pétalos y carpeles en el lugar de estambres.
• Mutaciones en genes tipo C – Estas mutaciones afectan a los vérticlos reproductivos, a saber, los estambres y los carpeles. El A. thaliana mutante de este tipo se llama AGAMOUS, posee un fenotipo que contiene pétalos en lugar de estambres y sépalos en lugar de carpeles.

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  mutación AGAMOUS que resulta en una Arabidopsis de doble floración

Técnicas de detección de expresión diferencial

Se han llevado a cabo estudios de clonación del ADN en los genes asociados con las funciones homeóticas afectadas en los mutantes comentados anteriormente. Estos estudios utilizaron análisis en serie de la expresión genética a lo largo del desarrollo floral para mostrar patrones de expresión tisular que, en general, se corresponden con las predicciones del modelo ABC.

La naturaleza de estos genes corresponde a la de los factores de transcripción, que, como era de esperar, tienen estructuras análogas a un grupo de factores contenidos en levaduras y células animales. Este grupo se denomina MADS, que es un acrónimo de los diferentes factores contenidos en el grupo. Estos factores MADS se han detectado en todas las especies vegetales estudiadas, aunque no se puede descartar la implicación de otros elementos implicados en la regulación de la expresión génica.

Genes que exhiben función tipo A

En A. thaliana, la función A está representada principalmente por dos genes APETALA1 (AP1) y APETALA2 (AP2 ) AP1 es un gen de tipo MADS-box, mientras que AP2 pertenece a la familia de genes que contiene AP2, al que da nombre y que está formado por factores de transcripción que se sólo se encuentra en las plantas. También se ha demostrado que AP2 forma complejo con el correpresor TOPLESS (TPL) en el desarrollo de yemas florales para reprimir el gen de clase C AGAMOUS (AG). Sin embargo, AP2 no se expresa en el meristemo apical del brote (SAM), que contiene la población de células madre latentes durante toda la vida adulta de Arabidopsis, por lo que se especula que TPL trabaja con algún otro gen de clase A en el SAM para reprimir AG.AP1 funciona como un gen de tipo A, tanto en el control de la identidad de sépalos y pétalos, como también Actúa en el meristemo floral. AP2 no sólo funciona en los dos primeros verticilos, sino también en los dos restantes, en los óvulos en desarrollo e incluso en las hojas. También es probable que exista una regulación postranscripcional que controle su función A, o incluso que tenga otros propósitos en la determinación de la identidad del órgano independientes de los aquí mencionados.

En Antirrhinum, el gen ortólogo de AP1 es SQUAMOSA (SQUA), que también tiene una característica particular. Impacto sobre el meristemo floral. Los homólogos de AP2 son LIPLESS1 (LIP1) y LIPLESS2 (LIP2), los cuales tienen una función redundante y son de especial interés en el desarrollo de sépalos, pétalos y óvulos.

Se han aislado un total de tres genes de Petunia hybrida que son similares a AP2: P. hybrida APETALA2A (PhAP2A), PhAP2B y PhAP2C. PhAP2A es, en gran medida, homólogo con el gen AP2 de Arabidopsis, tanto en su secuencia como en su patrón de expresión, lo que sugiere que los dos genes son ortólogos. Las proteínas PhAP2B y PhAP2C, en cambio, son ligeramente diferentes, aunque pertenecen a la familia de factores de transcripción similares a AP2. Además se expresan de diferentes maneras, aunque son muy similares en comparación con PhAP2A. De hecho, los mutantes de estos genes no muestran el fenotipo habitual, el de los alelos nulos de los genes A. No se ha encontrado un verdadero gen con función A en Petunia; aunque una parte de la función A (la inhibición de la C en los dos verticilos externos) se ha atribuido en gran medida al miARN169 (coloquialmente llamado BLIND)^ref.

Genes que exhiben función de tipo B

En A. thaliana la función tipo B surge principalmente de dos genes, APETALA (AP3) y PISTILLATA (PI), los cuales son genes de caja MADS. Una mutación de cualquiera de estos genes provoca la conversión homeótica de pétalos en sépalos y de estambres en carpelos. Esto también ocurre en sus ortólogos en A. majus, que son DEFICIENS (DEF) y GLOBOSA (GLO ) respectivamente. Para ambas especies la forma activa de unión con el ADN es la derivada del heterodímero: AP3 y PI, o DEF y GLO, se dimerizan. Ésta es la forma en que pueden funcionar.

Las líneas GLO/PI que se han duplicado en Petunia contienen P. hybrida GLOBOSA1 (PhGLO1, también llamado FBP1) y también PhGLO2 (también llamado PMADS2 o < i>FBP3). Para los elementos funcionales equivalentes a AP3/DEF en Petunia existe un gen que posee una secuencia relativamente similar, llamado PhDEF y también existe un gen de función B atípico llamado PhTM6. Los estudios filogenéticos han situado a los tres primeros dentro del linaje «euAP3», mientras que PhTM6 pertenece al de «paleoAP3». Vale la pena señalar que, en términos de historia evolutiva, la aparición de la línea euAP3 parece estar relacionada con el surgimiento de las dicotiledóneas, ya que en las dicotiledóneas están presentes representantes de los genes de función tipo B de euAP3, mientras que los genes paleoAP3 están presentes en las monocotiledóneas y angiospermas basales, entre otras.

Como se mencionó anteriormente, los órganos florales de las angiospermas eudicotiledóneas están dispuestos en 4 verticilos diferentes, que contienen los sépalos, pétalos, estambres y carpelos. El modelo ABC establece que la identidad de estos órganos está determinada por los genes homeóticos A, A+B, B+C y C, respectivamente. En contraste con los verticilos de sépalo y pétalo de las eudicotiledóneas, el perígono de muchas plantas de la familia Liliaceae tiene dos verticilos petaloides externos casi idénticos (los tépalos). Para explicar la morfología floral de las Liliaceae, van Tunen et al. propusieron un modelo ABC modificado en 1993. Este modelo sugiere que los genes de clase B no sólo se expresan en los verticilos 2 y 3, sino también en los verticilos 2 y 3. en 1. De ello se deduce que los órganos de los verticilos 1 y 2 expresan genes de clase A y B y es por eso que tienen una estructura petaloide. Este modelo teórico ha sido probado experimentalmente mediante la clonación y caracterización de homólogos de los genes Antirrhinum GLOBOSA y DEFICIENS en una Liliaceae, el tulipán Tulipa gesneriana. Estos genes se expresan en los verticilos 1,2 y 3. También se han aislado y caracterizado los homólogos GLOBOSA y DEFICIENS en Agapanthus praecox ssp. orientalis (Agapanthaceae), que está filogenéticamente distante de los organismos modelo. En este estudio, los genes se denominaron ApGLO y ApDEF, respectivamente. Ambos contienen marcos de lectura abiertos que codifican proteínas con 210 a 214 aminoácidos. El análisis filogenético de estas secuencias indicó que pertenecen a la familia de genes B de las monocotiledóneas. Los estudios de hibridación in situ revelaron que ambas secuencias se expresan en el verticilo 1, así como en el 2 y el 3. En conjunto, estas observaciones muestran que el mecanismo de desarrollo floral de Agapanthus también sigue el modelo ABC modificado.

Genes que exhiben función tipo C

En A. thaliana, la función C deriva de un gen tipo MADS-box llamado AGAMOUS (AG), que interviene tanto en el establecimiento de la identidad del estambre y del carpelo como así como en la determinación del meristemo floral. Por tanto, los mutantes AG carecen de androceo y gineceo y tienen pétalos y sépalos en su lugar. Además, el crecimiento en el centro de la flor es indiferenciado, por lo que los pétalos y sépalos crecen en verticilos repetitivos.

El gen PLENA (PLE) está presente en A. majus, en lugar del gen AG, aunque no es un ortólogo. Sin embargo, el gen FARINELLI (FAR) es un ortólogo, específico del desarrollo de las anteras y de la maduración del polen.

En Petunia, Antirrhinum y en el maíz, la función C está controlada por una serie de genes que actúan de la misma manera. Los genes que son homólogos más cercanos de AG en Petunia son pMADS3 y la proteína de unión floral 6 ( FBP6).

Genes que exhiben funciones de tipo D y E

Los genes de función D fueron descubiertos en 1995. Estos genes son proteínas MADS-box y tienen una función distinta a las descritas anteriormente, aunque tienen cierta homología con los genes de función C. Estos genes se denominan PROTEÍNA DE UNIÓN FLORAL7 (FBP7) y PROTEÍNA DE UNIÓN FLORAL1L (FBP1l). Se encontró que, en Petunia, participan en el desarrollo del óvulo. Posteriormente se encontraron genes equivalentes en Arabidopsis, donde también están implicados en el control del desarrollo de los carpelos y del óvulo e incluso con estructuras relacionadas con la dispersión de semillas.

La aparición de interesantes fenotipos en estudios de interferencia de ARN en Petunia y tomate llevó, en 1994, a la definición de un nuevo tipo de función en el modelo de desarrollo floral. Inicialmente se pensó que la función E solo estaba involucrada en el desarrollo de los tres verticilos más internos; sin embargo, trabajos posteriores encontraron que su expresión era necesaria en todos los verticilos florales.