Study on the molecular mechanisms that control flowering in Quercus orocantabrica

Abstract

O desenvolvimento das estruturas florais é um passo crucial no ciclo reprodutivo das plantas com flor. A unissexualidade floral, uma característica que promove a reprodução cruzada e a variabilidade genética, é a estratégia reprodutiva dominante em várias famílias, incluindo as Fagaceae, cujas espécies são predominantemente monóicas. Alterações nas dinâmicas do modelo ABCDE de identidade floral foram sugeridas como subjacentes ao desenvolvimento de flores masculinas e femininas em várias espécies, incluindo as Fagaceae Quercus suber e Castanea sativa. No entanto, apesar da importância económica e ecológica desta família, os mecanismos de desenvolvimento floral ainda não foram explorados noutras Fagaceae, incluindo em Quercus orocantabrica. Q. orocantabrica é uma espécie-irmã de Quercus robur recentemente descrita, sendo atualmente considerada endémica da região noroeste da Península Ibérica, e constituindo uma componente importante das florestas decíduas maduras. É reportada como uma espécie monóica brevi-decídua, que apresenta um começo precoce das fases fenológicas de primavera quando comparada com Q. robur. No entanto, apesar das diferenças conhecidas, pouco se sabe sobre a floração desta espécie. Neste estudo, foi efetuada uma análise fenológica e morfológica detalhada da floração de Q. orocantabrica. A presença previamente desconhecida de floração hermafrodita foi detetada e descrita, juntamente com várias outras anomalias florais. Para esclarecer o envolvimento dos genes homeóticos florais na formação de flores unissexuais de Q. orocantabrica, putativos genes homólogos ABCDE foram identificados, e o seu padrão de expressão em diferentes fases de desenvolvimento de flores masculinas e femininas foi analisado através de RT-PCR semi-quantitativo. A análise demonstrou que a expressão dos genes de classe B e C é dependente do sexo floral, com os genes de classe B sendo predominantemente expressos em flores masculinas. Para além disso, o padrão de expressão difere de relatos anteriores em outras Fagaceae, o que sugere uma divergência funcional parcial dos genes homeóticos florais nesta família. Os resultados apresentados neste trabalho constituem um progresso na compreensão dos mecanismos envolvidos na unissexualidade floral em Q. orocantabrica.

The development of floral structures is a pivotal step in the reproductive cycle of flowering plants. Floral unisexuality, a trait which promotes cross-breeding and gene flow, is the main reproductive strategy in some families, including the predominantly monoecious Fagaceae. Changes in the canonical ABCDE model of flower organ identity have been suggested as underlying the development of separate male and female flowers in several species, including the Fagaceae Quercus suber and Castanea sativa. However, despite the economic and ecological importance of this family, the mechanisms of flower formation in other Fagaceae species, including Quercus orocantabrica, are yet to be explored. Q. orocantabrica is a recently-circumscribed sister-species of the broad European Quercus robur, currently considered endemic to the northwestern part of the Iberian Peninsula, and serving as a major component of climax deciduous forests. It is reported as a brevi-deciduous monoecious species, displaying an earlier onset of spring phenological phases when compared to Q. robur. However, despite the reported differences, little is known regarding the flowering behaviour of this species. In this work, a detailed phenological and morphological analysis of Q. orocantabrica flowering was performed. The previously unreported occurrence of hermaphroditic flowering in this species was detected and described, alongside several other floral anomalies. To elucidate the involvement of floral homeotic genes in the formation of unisexual flowers, putative ABCDE-like homologous genes were identified, and their expression pattern in different stages of male and female flower development was assessed via semi-quantitative RT-PCR. Expression analysis has revealed the temporal expression of B and C-class genes to be sex-biased, with B-class genes being predominantly expressed in male flowers; additionally, the expression pattern was found to differ from previous reports in other Fagaceae species, suggesting a partial functional divergence of the floral homeotic genes within the family. Collectively, the results here presented constitute a major step forward in understanding the mechanisms underlying unisexual flower development in Q. orocantabrica.