Wissenschaftler entdecken neue Funktionen des Florigen-Proteins bei der Blütenbildung
Pflanzen beginnen als Reaktion auf Umweltsignale, wie die Tageslänge, zu blühen. An diesem Prozess ist ein Proteinsignal namens Florigen beteiligt, das in den Blättern gebildet wird und die Blütenentwicklung an der Triebspitze induziert. Forscher aus den Gruppen von George Coupland am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und ihre Kooperationspartner/innen haben auf elegante Weise neues Licht auf das bestehende Modell geworfen, wie Florigen und zwei weitere Proteine an der Triebspitze interagieren, um den Florigen-Aktivierungskomplex (FAC) zu bilden, der für die Aktivierung der für die Blütenbildung erforderlichen Gene verantwortlich ist. Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse zeigen, dass nach dem Transport von Florigen in die Triebspitze die Bildung des FAC auf der DNA in einer spezifischen Abfolge von Ereignissen stattfindet. Außerdem zeigen die Autoren, dass Florigen nicht nur die Blüte induziert, sondern später bei der Blütenbildung auch noch unabhängige Funktionen hat.
Die Tageslänge reguliert die Entwicklungsprogramme von Pflanzen und bewirkt insbesondere den Übergang von der vegetativen zur reproduktiven Entwicklung. Die Wahrnehmung der Tageslänge beinhaltet die Synthese des Florigenproteins FLOWERING LOCUS T (FT) in den Blättern, das dann zum apikalen Meristem (SAM) transportiert wird, wo es in den Florigenaktivierungskomplex (FAC) integriert wird. Ein aktuelles Modell der FAC-Assemblierung geht davon aus, dass 14-3-3-Proteine als Rezeptoren für das FT-Protein am SAM fungieren und dann die indirekte Interaktion zwischen FT und einem dritten Protein, FD, vermitteln, um den FAC zu bilden, der anschließend die Transkription von Genen aktiviert, die die Bildung von Blüten fördern.
Die Gruppe von Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Pflanzenzüchtungsforschung in Köln und ihre Kooperationspartner/innen verwendeten Mutationsanalysen und eine Reihe hochentwickelter biochemischer, Modellierungs- und Genexpressionsnachweistechniken, um einen neuen facettenreichen Mechanismus für die Bildung des FAC vorzuschlagen, und zeigten, wie die einzelnen Komponenten während der Blüteninduktion und der frühen Blütenentwicklung unterschiedliche Funktionen regulieren.
Die Autoren nutzten biochemische Methoden, um zu zeigen, dass zehn verschiedene 14-3-3-Proteine mit FD interagieren. Sie bestätigten, dass eine Threonin-Aminosäure an Position 282 im C-Terminus des FD-Proteins phosphoryliert und für die Vermittlung der Interaktion von FD mit 14-3-3 unerlässlich ist. Wenn es nicht phosphoryliert ist, bildet das FD-Protein unlösliche und nicht funktionsfähige Kondensate im Zellkern. Die Phosphorylierung von FD ermöglicht daher seine Solubilisierung, die Interaktion mit 14-3-3-Proteinen und die Bindung an DNA. Die Interaktion von FD mit 14-3-3-Proteinen stabilisiert auch FD-Dimere und induziert möglicherweise Konformationsänderungen im C-terminalen Schwanz von FD, die die DNA-Bindung verbessern. Daher fungieren 14-3-3-Proteine als chaperonähnliche Proteine, die die FD-Aktivität auf mehreren Ebenen verbessern.
Da die Wechselwirkung zwischen 14-3-3 und FT schwach oder instabil ist, stellten die Autoren die Hypothese auf, dass die Bindung des FD−14-3-3-Komplexes an DNA Schnittstellen schaffen könnte, die direkt von FT erkannt werden, obwohl bisher nicht angenommen wurde, dass FT mit FD und/oder DNA in Kontakt steht. Sie modellierten den FAC−DNA−Komplex, was auf einen direkten Kontakt zwischen drei positiv geladenen Argininresten im FT-Schwanz und negativ geladener DNA hindeutete (Abbildung 1). Sie mutierten diese Reste und zeigten, dass tatsächlich die von ihnen als Schnittstelle 1 bezeichnete Stelle am C-terminalen Schwanz von FT an der Rekrutierung von FT zum DNA-FD-14-3-3-Komplex beteiligt ist, indem sie direkt mit der DNA interagiert. Sie zeigten auch, dass eine zweite Schnittstelle von Aminosäuren, die für die Interaktion zwischen Reis-Florigen und 14-3-3-Proteinen entscheidend sind, in FT für die Rekrutierung von FT durch den DNA−FD−14-3-3-Komplex in Arabidopsis erforderlich ist. Die wichtige Schlussfolgerung aus diesen Experimenten ist, dass der FD−14-3-3-Komplex zunächst an DNA binden muss, um FT zu rekrutieren.
Um den Grad ihrer Überlappung genau zu bestätigen, wurde eine detaillierte Quantifizierung der Expression von fluoreszenzmarkierten FD- und FT-Proteinen auf zellulärer Ebene in verschiedenen Regionen des SAM durchgeführt,. Darüber hinaus verwendeten die Autoren fluoreszenzbasierte, multiplexe RNA in situ Hybridisierungen (RNAscope), um die räumlich-zeitliche Akkumulation von FD- und FT-Transkripten in verschiedenen Regionen des SAM und der Blütenprimordien zu visualisieren (Abbildung 2). Insgesamt bestätigten die Protein- und mRNA-Analysen, dass FT in denselben Zellen wie FD- und 14-3-3-Proteine in verschiedenen Stadien der Blüteninduktion im SAM vorhanden ist, um die Bildung des FAC zu ermöglichen.
Eine unerwartete Erkenntnis war, dass sich FT-mRNA auch an der Grenze neu gebildeter Primordien ansammelt, zunächst auf der adaxialen Seite der Stängelblätter, anschliessend auf der adaxialen Seite der Blütenprimordien und schliesslich unterhalb des Expressionsbereichs von APETALA1, der die Grenze zum unterdrückten Deckblatt darstellt. Das bedeutet, dass es sich auch mit FD überschneidet und die Bildung des FAC in den ersten Stadien der Blütenentwicklung ermöglicht.
Die Bedeutung der Studie ergibt sich aus drei wichtigen Erkenntnissen: Erstens, dem Nachweis der Bedeutung der 14-3-3-Funktion für die Aktivität von FD auf mehreren Regulationsebenen; zweitens, der Identifizierung der beiden wichtigen Schnittstellen, die FT mit DNA und dem DNA−FD−14-3-3-Komplex verbinden, und drittens dem dynamischen Muster der FT-Anreicherung im SAM und der FT-mRNA in lateralen Organprimordien.
Die Erkenntnis, dass die lokale FT-Transkription zusätzlich zu ihrer Transkription in den Blättern und dem anschließenden Transport zum SAM innerhalb des Blütenprimordiums stattfindet, baut auf den Ergebnissen einer weiteren aktuellen Veröffentlichung in Development von Romera-Branchat und Kollegen aus der Gruppe von George Coupland auf, die die Blüten von Mutantenpflanzen analysierten, denen die Funktionen von FD und FD PARALOGUE (FDP), seinem eng verwandten Protein, sowie TWIN SISTER OF FT (TSF) und FT fehlten. Die Blüten dieser fd fdp- und ft tsf-Mutanten wiesen Defekte in der Anzahl und Identität der Blütenorgane auf, insbesondere der Kelchblätter und Blütenblätter, und die Triebspitze war ebenfalls größer. Diese Defekte traten auch unter Kurztagsbedingungen auf, wenn FT nicht in den Blättern produziert und zur Spitze transportiert wird. Dies führte zu der wichtigen Schlussfolgerung, dass das FT-Gen auch in sich entwickelnden Blütenknospen und Blütenorganen exprimiert wird. Damit wurde der genetische Nachweis erbracht, dass das FT-Gen auch in entstehenden Blütenknospen und Blütenorganen exprimiert wird. Die Autoren identifizierten die Gene, deren Transkription durch den Verlust der FD/FDP- und FT/TSF-Funktion in Blüten beeinflusst wurde, und kamen zu dem Schluss, dass die FAC-Komponenten FD/FDP und FT/TSF zusätzlich zu ihrer Funktion bei der Regulierung des Blütenübergangs die Expression einer Klasse von SEPALLATA-Genen regulieren, um die Form und Größe des Blütenmeristems zu steuern, und Auswirkungen auf die Anzahl, Entwicklung und Identität der Blütenorgane haben.
Die Ergebnisse dieser beiden Studien eröffnen neue Perspektiven für das Verständnis der Mechanismen, durch die Florigen die Blüte und Blütenentwicklung in der Modellpflanze Arabidopsis fördert. Die starke Konservierung der Funktion von Florigen und FAC in allen Samenpflanzen lässt jedoch vermuten, dass diese Ergebnisse auch für die Erforschung der Blütenkontrolle wichtiger Nutzpflanzen von Bedeutung sein werden.
