The role of MADS and TCP transcription factors in Gerbera hybrida flower development

Angiosperms represent a huge diversity in floral structures. Thus, they provide an attractive target for comparative developmental genetics studies. Research on flower development has focused on few main model plants, and studies on these species have revealed the importance of transcription factors, such as MADS-box and TCP genes, for regulating the floral form. The MADS-box genes determine floral organ identities, whereas the TCP genes are known to regulate flower shape and the number of floral organs. In this study, I have concentrated on these two gene families and their role in regulating flower development in Gerbera hybrida, a species belonging to the large sunflower family (Asteraceae). The Gerbera inflorescence is comprised of hundreds of tightly clustered flowers that differ in their size, shape and function according to their position in the inflorescence. The presence of distinct flower types tells Gerbera apart from the common model species that bear only single kinds of flowers in their inflorescences. The marginally located ray flowers have large bilaterally symmetrical petals and non-functional stamens. The centrally located disc flowers are smaller, have less pronounced bilateral symmetry and carry functional stamens. Early stages of flower development were studied in Gerbera to understand the differentiation of flower types better. After morphological analysis, we compared gene expression between ray and disc flowers to reveal transcriptional differences in flower types. Interestingly, MADS-box genes showed differential expression, suggesting that they might take part in defining flower types by forming flower-type-specific regulatory complexes. Functional analysis of a CYCLOIDEA-like TCP gene GhCYC2 provided evidence that TCP transcription factors are involved in flower type differentiation in Gerbera. The expression of GhCYC2 is ray-flower-specific at early stages of development and activated only later in disc flowers. Overexpression of GhCYC2 in transgenic Gerbera-lines causes disc flowers to obtain ray-flower-like characters, such as elongated petals and disrupted stamen development. The expression pattern and transgenic phenotypes further suggest that GhCYC2 may shape ray flowers by promoting organ fusion. Cooperation of GhCYC2 with other Gerbera CYC-like TCP genes is most likely needed for proper flower type specification, and by this means for shaping the elaborate inflorescence structure. Gerbera flower development was also approached by characterizing B class MADS-box genes, which in the main model plants are known regulators of petal and stamen identity. The four Gerbera B class genes were phylogenetically grouped into three clades; GGLO1 into the PI/GLO clade, GDEF2 and GDEF3 into the euAP3 clade and GDEF1 into the TM6 clade. Putative orthologs for GDEF2 and GDEF3 were identified in other Asteraceae species, which suggests that they appeared through an Asteraceae-specific duplication. Functional analyses indicated that GGLO1 and GDEF2 perform conventional B-function as they determine petal and stamen identities. Our studies on GDEF1 represent the first functional analysis of a TM6-like gene outside the Solanaceae lineage and provide further evidence for the role of TM6 clade members in specifying stamen development. Overall, the Gerbera B class genes showed both commonalities and diversifications with the conventional B-function described in the main model plants.

Kukkien kehitysbiologinen tutkimus pyrkii selvittämään mitkä säätelytekijät ohjaavat kukkaelinten kehitystä sekä kukan muodon ja koon määräytymistä. Vertailemalla geenien toimintaa ja säätelyverkostoja eri kasvilajien välillä saadaan arvokasta tietoa kukkien rakenteen kehityksestä sekä evoluution toimintamekanismeista. Tämän työn tutkimuskohteena on ollut auringonkukkien heimoon kuuluva Gerbera hybrida, jonka kukinnon rakenne on monimutkaisempi kuin perinteisesti kukan kehitysbiologian tutkimuksessa käytetyillä mallikasveilla, kuten lituruoholla ja leijonankidalla. Gerberan kukinto koostuu sadoista yksittäisistä kukista, jotka ovat erilaistuneet sekä rakenteeltaan että toiminnaltaan. Kukinnon reunoilla olevissa laitakukissa on näyttävät terälehdet jotka houkuttelevat pölyttäjiä kukinnon keskustaan. Kukinnon keskellä olevat kehräkukat ovat pienempiä ja vain niissä on toiminnalliset heteet. Tutkimuksen tavoitteena on ollut löytää tekijöitä, jotka säätelevät Gerberan kukkatyyppien erilaistumista ja kehitystä. Vaikka auringonkukkien heimo on yksi suurimmista kasviheimoista, heimolle tyypillisen kukintorakenteen, mykerön, kehityksen säätelystä on vain vähän aiempaa tietoa. Työssä keskityttiin kahteen geeniperheeseen, MADS-box ja TCP-geeneihin, joiden tiedetään olevan tärkeitä kasvien kehityksen säätelytekijöitä. MADS-box geenit säätelevät muun muassa kukkaelinten identiteettiä kun taas TCP-geenit ohjaavat yleisemmin kasvien muodon kehitystä kuten haaroittumista ja kukkien symmetrian kehitystä. Gerberan kukkatyyppien välisten rakenteellisten erojen havaittiin muodostuvan jo hyvin varhaisessa mykerönkehityksen vaiheessa. Geenien ilmentymisen vertailu mikrosirukokeella laita- ja kehräkukkien välillä osoitti, että useat MADS-box geeniperheen jäsenet ilmentyvät eri tavalla eri kukkatyypeissä. Tulokset viittaavat siihen, että MADS proteiinit vaikuttavat kukkatyyppien erilaistumiseen muodostamalla erilaisia proteiinikomplekseja eri kukkatyypeissä. TCP säätelytekijöillä havaittiin olevan keskeinen rooli Gerberan kukinnon rakenteen säätelyssä. TCP geeniperheeseen kuuluva GhCYC2 ilmentyy spesifisesti laitakukissa kehitysvaiheissa, joissa laitakukkien morfologia eriytyy kehräkukista. Siirtogeeniset kasvilinjat osoittivat, että GhCYC2 geenin ilmentyminen normaalista poikkeavalla tavalla aiheuttaa kehräkukkien kehittymisen laitakukkien kaltaisiksi. Havainnot ovat ensimmäinen molekyylitason todiste siitä, että TCP-geenit säätelevät kukkatyyppien erilaistumista auringonkukkaheimoon kuuluvilla lajeilla. Työn viimeisessä osassa on tutkittu MADS-box geenien ryhmää, jonka tiedetään useilla kasvilajeilla säätelevän terälehtien ja heteiden identiteetin määräytymistä. Gerberalla tähän B-geenien ryhmään kuuluu neljä geeniä, GGLO1, GDEF1, GDEF2 ja GDEF3. Tutkimus osoitti että Gerberan terälehtien ja heteiden identiteetti määräytyy pääosin samalla tavalla kuin muilla kasvilajeilla, mutta myös erityispiirteitä havaittiin. Sekvenssianalyysin perusteella GDEF2 ja GDEF3 ovat peräisin geenin kahdentumisesta, joka on tapahtunut spesifisesti auringonkukkien heimossa. GDEF1 kuuluu alaryhmään jonka toimintaa on tutkittu vasta muutamilla kasvilajeilla. Gerberalla saadut tulokset vahvistavat aiempia tuloksia GDEF1-kaltaisten geenien toiminnasta vain heteiden identiteetin säätelijöinä. Väitöskirjan tulokset tuovat uutta tietoa kasvien kehitysbiologiasta ja erityisesti siitä, miten samankaltaiset geenit ovat evoluution kuluessa kehittyneet ja erilaistuneet ohjaamaan hyvin erilaisten morfologisten rakenteiden kehittymistä eri kasvilajeilla.