a. Model ABC secara parsial
menjelaskan determinasi identitas organ bunga
Lima
gen identitas organ bunga terbagi dalam tiga kelas yaitu gen Kelas A, B, dan C
yang memiliki tiga jenis aktivitas berbeda (Gambar 1):
Gambar 1. Determinasi organ bunga berdasarkan
model ABC
· Aktivitas
Gen Kelas A, yang dikodekan oleh gen AP1 dan AP2, mengontrol identitas organ di
lingkaran (whorl) pertama dan kedua. Hilangnya aktivitas gen Kelas A
menyebabkan pembentukan karpel di whorl (yang seharusnya sepal pada wild type)
dan benang sari pada whorl kedua (yang seharusnya kelopak pada wild type).
· Aktivitas
Gen Kelas B, yang dikodekan oleh gen AP3 dan PI, mengontrol penentuan organ di
lingkaran kedua dan ketiga. Hilangnya aktivitas gen Kelas B menyebabkan
pembentukan sepal sebagai pengganti kelopak di lingkaran kedua, dan karpel
sebagai pengganti benang sari di lingkaran ketiga.
· Aktivitas
Gen Kelas C, dikodekan oleh gen AG, mengontrol penentuan organ di lingkaran
ketiga dan keempat. Hilangnya aktivitas gen Kelas C menyebabkan pembentukan
kelopak bunga menggantikan benang sari di lingkaran ketiga. Selain itu, dengan
tidak adanya aktivitas gen Kelas C, lingkaran keempat (biasanya karpel) diganti
dengan bunga baru. Akibatnya, lingkaran keempat dari bunga mutan ag ditempati oleh
sepal. Meristem bunga tidak lagi terdeterminasi. Bunga terus terbentuk di dalam
bunga, dan pola organnya (dari luar ke dalam) adalah: sepal, kelopak, kelopak;
sepal, kelopak, kelopak; dan seterusnya. Model ABC berasal dari banyak
pengamatan dari dua spesies eudikot yang berkerabat jauh (snapdragon dan
Arabidopsis), dan memberikan cara untuk memahami bagaimana regulator kunci yang
dapat secara kombinatorial memberikan hasil yang kompleks. Model ABC
mendalilkan bahwa identitas organ di setiap lingkaran ditentukan oleh kombinasi
unik dari tiga aktivitas gen identitas organ (Gambar 1):
- Aktivitas gen Kelas A
saja menentukan sepal.
- Aktivitas gen Kelas A
dan B bersama-sama diperlukan untuk pembentukan kelopak bunga.
- Aktivitas gen Kelas B
dan C bersama-sama membentuk benang sari.
- Aktivitas Kelas C
saja menentukan pembentukan karpel.
Model
tersebut selanjutnya mengusulkan bahwa aktivitas Kelas A dan C saling menekan
satu sama lain; yaitu, gen kelas A dan C saling mengeksklusikan dari domain
ekspresinya, selain fungsinya dalam menentukan identitas organ. Meskipun pola
pembentukan organ pada bunga wildtype dan sebagian besar mutan diprediksi dan
dijelaskan dengan model ini, tidak semua pengamatan dapat dijelaskan oleh gen
ABC saja. Misalnya, ekspresi gen ABC di seluruh tanaman tidak mengubah daun
vegetatif menjadi organ bunga. Dengan demikian, gen ABC, meskipun diperlukan,
tidak cukup untuk menghasilkan identitas organ bunga ke dalam program
perkembangan daun. Faktor transkripsi yang dikodekan oleh gen identitas
meristem bunga juga diperlukan untuk pembentukan kelopak, benang sari, dan
karpel.
b. Gen Arabidopsis Kelas E diperlukan
untuk aktivitas gen kelas A, B, dan C
Sejak
gen A, B, dan C diidentifikasi, kelas lain dari gen homeotik floral, gen Kelas
E, juga ditemukan. Mutasi pada tiga gen lain yang diidentifikasi dalam
screening mutan untuk mutan homeotik bunga, AGAMOUS-LIKE1-3 (AGL1-3), hanya
menghasilkan fenotipe subtle ketika bermutasi secara individual. Namun, bunga
mutan triple agl1/agl2/agl3 hanya terdiri dari struktur sepal, menunjukkan
bahwa fenotipe subtle yang sebelumnya diamati pada tiga gen AGL yang bermutasi
secara individual disebabkan oleh redundansi fungsional. Karena fenotipe kaya
sepal dari triple mutan, tiga gen AGL diubah namanya menjadi SEPALLATA1-3
(SEP1-3) dan ditambahkan ke model ABC sebagai gen Kelas E (Gambar 20.26).
(Sedangkan Gen Kelas D diperlukan untuk pembentukan bakal biji). Gen SEPALLATA
lain, SEP4, dibutuhkan secara redundan dengan tiga gen SEP lainnya untuk
memberikan identitas sepal, dan berkontribusi pada perkembangan tiga jenis
organ lainnya. Mutan Sep quadruple menunjukkan konversi dari keempat jenis
organ bunga menjadi struktur seperti daun, mirip dengan mutan ap1, ap2, ap3 /
pi, dan ag quadruple (Gambar 2 dan 3).
Gambar 2. Mutan quadrapel Arabidopsis
(ap1, ap2, ap3/pi, ag) menghasilkan struktur mirip daun pada tempat organ bunga
Gambar 3. Model ABCE pada
perkembangan bunga. (A) mutan sepallata1-4, semua organ floral menjadi daun
vegetatif, mengindikasikan bahwa gen SEP dibutuhkan untuk identitas meristem
bunga. (B) Model ABCE untuk determinasi organ floral dimana SEP berfungsi sebagai
gen kelas E yang dibuthkan untuk identitas organ bunga (Krizek dan
Fletcher, 2005)
Dengan
mengekspresikan gen Kelas E dalam kombinasi dengan gen Kelas A dan B dapat
mengubah kotiledon dan daun vegetatif menjadi kelopak bunga (Gambar 4).
Gambar 4. Konversi kotiledon dan
daun vegetatif menjadi petal dengan ekspresi ektopik gen Kelas E dengan
kombinasi bersama gen Kelas A dan B. Arabidopsis overekspresi SEP3/AP1/AP3/PI
(A) atau AP1/AP3/PI/SEP2/SEP3 (B) (Pelaz dkk, 2001)
Model
ABCE dirumuskan berdasarkan eksperimen genetik pada Arabidopsis dan
Antirrhinum. Bunga dari spesies berbeda telah mengembangkan beragam struktur
dengan memodifikasi jaringan regulasi yang dijelaskan oleh model ABCE.
c. Menurut Model Kuartet, identitas
organ bunga diregulasi oleh kompleks tetramerik protein ABCE
Semua
gen homeotik yang telah diidentifikasi sejauh ini, baik pada tumbuhan maupun
hewan, menyandikan faktor transkripsi. Namun, tidak seperti gen homeotik hewan,
yang berisi urutan homeobox, sebagian besar gen homeotik tumbuhan termasuk
dalam kelas sekuens terkait yang dikenal sebagai gen MADS box. Akronim MADS
didasarkan pada empat anggota awal (MCM1, AGAMOUS, DEFICIENS, dan SRF) dari
famili gen besar. Banyak dari gen yang menentukan identitas organ bunga adalah
gen MADS box, termasuk gen DEFICIENS dari snapdragon dan gen AGAMOUS (AG),
PISTILLATA (PI), dan APETALA3 (AP3) dari Arabidopsis. Gen MADS box berbagi
karakteristik, sekuens nukleotida terkonservasi yang dikenal sebagai MADS box,
yang mengkode struktur protein yang dikenal sebagai domain MADS (Gambar 5A).
Berdekatan dengan domain MADS adalah intervenning region diikuti oleh domain K,
yang merupakan wilayah kumparan melingkar yang terutama terlibat dalam
interaksi protein-protein. Faktor transkripsi gen MADS box membentuk tetramer
yang mengikat sekuens CC (A/T)6 GG, yang disebut CArG box, di wilayah regulasi
gen targetnya. Ketika tetramer mengikat dua kotak CArG yang berbeda pada gen
target yang sama, kotak-kotak tersebut didekatkan, menyebabkan pembengkokan DNA
(Gambar 5B).
Gambar
5. Model interaksi domain MADS box dengan gen target. (A) Struktur domain
faktor transkripsi MADS box. (B) Tetramer faktor transkripsi MADS box terikat
pada pasangan CarG-box di region regiulatory gen target, yang menybabkan DNA
bending. DNA bending dapat mengaktifkan maupun merepressi gen target.
Tidak
semua gen homeotik adalah gen MADS box, dan tidak semua gen yang mengandung
domain MADS box adalah gen homeotik. Misalnya, gen homeotik AP2 adalah anggota
dari famili faktor transkripsi AP2 / ERF (faktor pengikat elemen responsif
etilen), dan gen identitas meristem bunga SOC1 adalah gen MADS box. Untuk
mendapatkan pemahaman yang lebih mekanistik tentang model ABCE, model interaksi
biokimia, yang disebut Model Kuartet, telah diusulkan (Gambar 6).
Gambar 6.
Model quartet spesifikasi organ Arabidopsis. Pada whorl 1, ekspresi gen kelas A
(AP1 dan AP2) dan E (SEP) menyebabkan pembentukan sepal. Pada whorl 2, ekspresi
gen kelas A (AP1 dan AP2), B (AP3, PI), dan E (SEP) menyebabkan pembentukan
petal. Pada whorl 3, ekspresi gen kelas B (AP3, PI), C (AG), dan E (SEP)
menyebabkan pembentukan stamen. Pada whorl 4, gen kelas C ((AG) dan E (SEP)
menyebabkan pembentukan karpel. Sebagai tambahan, aktivitas kelas A (AP1 dan
AP2) merepressi aktivitas kelas C (AG) pada whorl 1 dan 2, sedangkan aktivitas
kelas C merepressi aktivitas kelas A pada whorl 3 dan 4. Berdasarkan model
quartet, identitas tiap organ bunga ditentukan oleh empat kombinasi protein
homeotik bunga yang dikenal sebagai protein MADS box. Dua dimer dari tiap
tetramer mengenali dua titik DNA yang berbeda (disebut CarG-box) pada strand
DNA yang sama, yang kemudian berdekatan oleh DNA bending.
Dalam
Model Kuartet, tetramer kombinasi gen ABCE secara langsung mengikat DNA dan
menentukan organ bunga. Model ini didasarkan pada pengamatan bahwa gen MADS box
berdimerisasi, dan dua dimer dapat bersatu membentuk sebuah tetramer. Tetramer
ini dihipotesiskan mengikat kotak-CArG pada gen target dan memodifikasi
ekspresinya (lihat Gambar 20.28B). Meskipun semua protein MADS box dapat
membentuk kompleks tingkat tinggi, tidak semuanya mampu mengikat DNA. Misalnya,
faktor Kelas B (AP3 dan PI) mengikat DNA hanya sebagai heterodimer, sedangkan
homodimer dan heterodimer Kelas A, C, dan E dapat mengikat DNA. Menurut model
ABCE, tetramer yang terdiri dari homodimer dan heterodimer berbeda dari protein
domain MADS dapat menggunakan kontrol kombinatorial atas identitas organ bunga.
Misalnya, heterodimer AP3 – PI berinteraksi langsung dengan AP1 dan SEP3 untuk
mendorong pembentukan kelopak, dan secara tidak langsung dengan AG dengan
bantuan SEP3 yang bertindak sebagai scaffold. Secara umum, protein SEP
tampaknya bertindak sebagai kofaktor yang memberikan aktivitas spesifik bunga
pada gen ABC dengan membuat kompleks produknya.
d. Gen kelas D diperlukan untuk pembentukan
bakal biji (ovule)
Menurut
model ABCE, pembentukan karpel membutuhkan aktivitas gen Kelas C dan E. Namun,
tampaknya kelompok ketiga dari gen MADS box yang terkait erat dengan gen Kelas
C diperlukan untuk pembentukan bakal biji. Gen spesifik bakal biji ini disebut
gen Kelas D. Karena bakal biji adalah struktur di dalam karpel, gen Kelas D
sebenarnya bukan “gen identitas organ,” meskipun fungsinya sama dalam
menspesifikasikan bakal biji. Aktivitas kelas D pertama kali ditemukan pada
tanaman Petunia. Silencing dua gen MADS box yang diketahui terlibat dalam
perkembangan bunga di petunia, FLORALBINDING PROTEIN 7/11 (FBP7/11),
mengakibatkan tumbuhnya style dan stigma di lokasi yang biasanya ditempati
bakal biji. Ketika FBP11 diekspresikan secara berlebihan dalam petunia, ovule
primoridia terbentuk pada sepal dan kelopak. Pada Arabidopsis, ekspresi ektopik
dari SHATTERPROOF1 atau SHATTERPROOF2 (SHP1, SHP2) atau SEEDSTICK (STK) cukup
untuk mendorong transformasi sepal menjadi organ karpeloid yang mengandung ovula.
Selain itu, mutan tripel stk / shp1 / shp2 tidak memiliki bakal biji yang
normal. Jadi, selain gen Kelas C dan E, gen Kelas D diperlukan untuk
perkembangan bakal biji yang normal
e. Rangkuman Model ABCDE
Gabungan
antara model ABCE dengan gen D yang berperan dalam pembentukan ovule dapat
dirumuskan pada Gambar 7.
Gambar 7. Model ABCDE dan Quartet
Model. Identitas organ bunga ditentukan oleh kombinasi quartet protein MADS box
yang menempel pada CarG-box DNA target dan memodifikasi ekspresinya.
f. Asimetri bunga pada bunga diatur
oleh ekspresi gen
Sementara
banyak bunga, seperti Arabidopsis memiliki simetris radial, banyak tanaman
telah mengembangkan bunga dengan simetri bilateral, yang memungkinkannya
membentuk struktur khusus untuk menarik penyerbuk. Misalnya, bunga Antirrhinum
menunjukkan perbedaan yang mencolok pada bentuk kelopak atas (dorsal)
dibandingkan dengan kelopak bawah (ventral) (Gambar 8).
Gambar
8. Asimetri pada Anthirrinum. (A,B) Bunga Anthirrinum memiliki simetri
bilateral. (C) gen DIVARICATA (DIV) mengkode faktor transkripsi MYB yang
menyebabkanidentitas ventral bunga. CYCLOIDEA (CYC) dan DICHOTOMA (DICH)
mengkode faktor transkripsi terkait yang mengaktifkan gen RADIALIS (RAD).
Protein RAD berperan antagonis terhadap DIV di bagian dorsal dan membatasi
aktivitasnya ke domain lateral dan ventral (Krizek dan Fletcher, 2005)
Mutasi
yang mengganggu perkembangan bunga zygomorphic telah dikenal sejak abad
kedelapan belas. Carl Linnaeus adalah orang pertama yang mendeskripsikan mutan
toadflax (Linaria vulgaris) yang terjadi secara alami yang mengubah bunga
simetris bilateral menjadi bentuk simetris radial (Gambar 9).
Gambar 9. Mutan “peloria”
Toadflax (Linaria vulgaris), Bunga
normal Linaria dengan simetri
bilateral di sebelah kiri, dan mutan “peloria” simetri radial di sebelah kanan.
Bunga “peloria” saat ini diketahui diakibatkan oleh inaktivasi gen CYCLOIDEA
melalui metilasi DNA (Busch dan Zachgo, 2009).
Bunga
dari genus Linaria biasanya memiliki corolla dengan empat benang sari dan satu
nektar spur. Spesimen aneh (bizarre) yang dijelaskan oleh Linnaeus memiliki
lima benang sari dan lima nektar spur. Keadaan abnormal, simetris radial ini
dijuluki "peloria" oleh Linnaeus, dari kata Yunani untuk
"monster". Baru-baru ini, mutan analog ("peloric") di
Antirrhinum majus telah memungkinkan diseksi genetik dari mekanisme molekuler
spesifikasi simetri bunga. Kloning gen mutasi RADIALIS (RAD) mengungkapkan
mekanisme pengaturan dimana RAD mengontrol asimetri bunga (lihat Gambar 20.30).
RAD mengkodekan faktor transkripsi dari famili MYB yang menekan gen kunci lain
yang disebut DIVARICATA (DIV). Ketika DIV bermutasi, hal itu menyebabkan semua
kelopak bunga terlihat seperti kelopak atas (dorsal). Oleh karena itu, DIV
menentukan identitas kelopak bawah (ventral) pada bunga. Analisis mutan lain
menunjukkan bahwa RAD menentukan identitas kelopak atas (ventral). Faktor
transkripsi RAD diaktivasi oleh dua gen lain, CYCLOIDEA dan DICHOTOMA, yang
diekspresikan di kelopak dorsal. Ekspresi RAD memungkinkan DIV untuk direpresi
di bagian dorsal bunga. Jika RAD tidak diekspresikan di dasar bunga, DIV diekspresikan
dan menentukan aktivitas ventral.
DAFTAR PUSTAKA
Busch, A. and Zachgo, S., 2007. Control of corolla
monosymmetry in the Brassicaceae Iberis amara. Proceedings of the
National Academy of Sciences, 104(42), pp.16714-16719.
Krizek, B.A. and Fletcher, J.C., 2005. Molecular mechanisms
of flower development: an armchair guide. Nature Reviews Genetics, 6(9),
pp.688-698.
Pelaz, S., Tapia-López, R., Alvarez-Buylla, E.R. and
Yanofsky, M.F., 2001. Conversion of leaves into petals in Arabidopsis. Current
Biology, 11(3), pp.182-184.
Taiz, L., Zeiger, E., Møller, I.M. and Murphy, A.,
2015. Plant physiology and development (No. Ed. 6). Sinauer
Associates Incorporated.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar