Functional analysis of a gene regulatory network involved in flower zygomorphy

Abstract

A arquitetura das plantas, a germinação das sementes e o tempo de floração são determinantes importantes do desempenho das plantas cultivadas. Compreender os mecanismos moleculares subjacentes a essas características pode ajudar a optimizar esses recursos e aumentar o rendimento das culturas. A zigomorfia das flores é uma característica morfológica que emergiu de forma independente durante a evolução,associada a polinizadores específícos de plantas. Em Antirrhinum majus, a zigomorfia da flor requer a atividade combinada de quatro fatores de transcrição: CYCLOIDEA (CYC), DICHOTOMA (DICH), RADIALIS (RAD) e DIVARICATA (DIV). O gene CYC é expresso no domínio dorsal do meristema floral e é um gene chave que promove as identidade das pétalas dorsais. O estudo dos promotores dos genes CYC-like em Medicago truncatula, uma espécie leguminosa com flor zigomórfica,é importante para entender a evolução dessa nova característica.Um dos objetivos desta tese foi obter conhecimento sobre os reguladores a montante do CYC que podem ser responsáveis pela sua ativação nos domínios dorsal do meristema das flores. Descobrimos que existem dois genes CYC like em Medicago truncatula que são expressos apenas no domínio dorsal do meristema floral e nas pétalas dorsais de flores maduras.A sequência promotora de CYC em Medicago é similar às sequências promotoras de CYC em outros legumes. Este estudo revelou assim um possível papel de elementos reguladores específicos no padrão de expressão assimétrico dos homólogos de CYC nas espécies com flores zigomórficas. Estudos genéticos e moleculares revelaram que RAD atua a jusante de CYC e que antagoniza a atividadede DIV na região dorsal de Antirrhinum, competindo por DIV-and-RAD-interacting factor (DRIF). Uma ação antagónica similar entre homólogos de RAD/DRIF/DIV regula diferentes processos de desenvolvimento em outras espécies. Neste trabalho, a análise funcional dos genes DRIF em Arabidopsis thaliana DRIF3, DRIF4 e DRIF5 revelou que estes genes estão envolvidos na germinaçãode sementes e no desenvolvimento inicial da plântula em resposta à luz. Neste estudo, descobrimos que esses homólogos de DRIF em Arabidopsis provavelmente estão envolvidos na regulação negativa da germinação de sementes e no desenvolvimento do gancho apical em plantulas crescidas no escuro, influenciando a síntese e/ ou sinalização de hormonas vegetais.Estes resultados mostram que os genes envolvidos na zigomorfia da flor foram recrutados para diferentes funções em espécies actinomórficas.

The overall plant architecture, seed germination and flowering time are important determinants of the performance of crop plants. Understanding the molecular mechanisms underlying these major traits can help to optimize these features and enhance plant yield. Flower zygomorphy is a morphological trait that emerged in different independently evolutionary events, normally associated with specific plant-pollinators. In Antirrhinum majus, the flower zygomorphy requires the combined activity of four transcription factors: CYCLOIDEA (CYC), DICHOTOMA (DICH), RADIALIS (RAD) and DIVARICATA (DIV). CYC is expressed in the dorsal domain of the flower meristem and is a key gene that promotes dorsal petal identity. The study of the nature of the promoters of CYC-like genes in Medicago truncatula, a legume species with a zygomorphic flower, is important to understand the evolution of this new trait. One of the objectives of this thesis was to gain knowledge on upstream regulators of CYC that may be responsible for its activation in the dorsal domains of flower meristem. We found that there are two CYC-like genes in Medicago truncatula that are expressed only in the dorsal domain of the floral meristem and in dorsal petals of mature flowers. The promoter sequence of Medicago CYC showed similarity with the promoters of other legume CYC-like genes. This study proposed a role of specific regulatory elements in the asymmetric expression pattern of the CYC homologs in the species having zygomorphic flowers. Genetic and molecular studies have revealed that RAD acts downstream of CYC and antagonizes the activity of DIV in the dorsal region of the Antirrhinum flower by competing for a DIV-and RAD-interacting factor (DRIF). A similar antagonistic action between RAD/DRIF/DIV homologs regulates different developmental processes in other species. In this work, the functional analysis of the DRIF genes in Arabidopsis thaliana showed that DRIF3, DRIF4 and DRIF5 are involved in seed germination and early seedling development in response to light. In this study, we found that these DRIF homologs in Arabidopsis are likely involved in negative regulation of seed germination and development of the apical hook in dark-grown seedlings by influencing the synthesis and/or signaling of plant hormones. These results showed that the genes involved in flower zygomorphy have been co-opted for different functions in actinomorphic species.