Osnova přednášky 2: Charakteristika rostlinné buňky: cytoskelet, buněčná stěna. Histologie: a. Meristémy, jejich úloha v růstu a vývoji rostlin

Transkript

1 Osnova přednášky 2: Charakteristika rostlinné buňky: cytoskelet, buněčná stěna Histologie: a. Meristémy, jejich úloha v růstu a vývoji rostlin b. Klasifikace rostlinných pletiv: - jednoduchá pletiva: Parenchym, kolenchym a sklerenchym. - trvalá, složená pletiva: - struktura a funkce pletiv krycích

2 Rostlinná buňka a její součásti: Rostlinná buňka a její součásti Buněčná stěna Protoplast: plazmalema, cytoplazmatická membrána cytoplazma Kontinuum

3 cytoplazma Cytoplazma: 70-80% vody -Hydratační obal bílkovin, -Volná voda Bílkoviny, ionty Reakce (glykolýza, redukce dusičnanů, atd.) Viskozita: sol-gel Cytoskelet -Prostor mezi organelami, inkluzemi, ribozomy a jádrem -Viskózní až gelový charakter -Prostředí pro mnohé metabolické děje: např. glykolysa, translace, tvorba sacharosy, pentosová cesta, počátky redukce nitrátu, tvorba četných sekundárních metabolitů -kompartmentace na metabolické oddíly. Většina prostorových, fyzikálních i biochemických vlastností cytoplazmy je dána existencí cytoskeletu (viskózní charakter, rozvrstvení cytoplazmy v buňkách, pohyb organel,

4 cytoplazma Cytoplazma: Cytoskelet

5 cytoplazma Cytoplazma: Cytoskelet Proudění cytoplasmy

6 cytoplazma Cytoskelet 3 složky: 1. Mikrotubuly 2. Mikrofilamenta 3. (Intermediární filamenta)

7 cytoplazma Cytoskelet 1. Mikrotubuly Schwarzerová

8 cytoplazma Cytoskelet 1. Mikrotubuly

9 cytoplazma Cytoskelet 1. Mikrotubuly MB130P30 Rostlinná cytologie Kutík J., Schwarzerová K., Votrubová O.

10 cytoplazma Cytoplazma: Cytoskelet 1. Mikrotubuly Asociace mezi kortikálními mt a buněčnou stěnou Buchanan et al Cvrčková, Žárský

11 cytoplazma Cytoplazma: Cytoskelet 2. Mikrofilamenta 2 aktinová vlákna, 8nm Buchanan et al. 2000

12 cytoplazma Cytoplazma: Cytoskelet 2. Mikrofilamenta 2 aktinová vlákna, 8nm Žárský, Cvrčková:

13 cytoplazma Cytoskelet 2. Mikrofilamenta 2 aktinová vlákna, 8nm Buchanan et al. 2000

14 cytoplazma Cytoskelet Dr. Baláž, Masarykova Univerzita v lístku vodního moru kanadského. 2. Mikrofilamenta Proudění cytoplazmy Animace, videa:

15 cytoplazma Cytoskelet 2. Mikrofilamenta Buchanan et al Mougeotia

16 cytoplazma Cytoplazma: Cytoskelet 2. Mikrofilamenta Buchanan et al. 2000

17 cytoplazma Rostlinná buňka: řada semestrálních přednášek MB130P30 Rostlinná cytologie Kutík Jaromír Kutík Jaromír Schwarzerová Kateřina Votrubová Olga MB130C34 Praktikum z buněčné a molekulární biologie rostlin Žárský Viktor MB130C30 Praktikum: Rostlinná buňka Schwarzerová Kateřina Přednáška: B130P47Cytoskelet rostlin Zelenková S., Schwarzerová K. Přednáška: B130P34Struktura a funkce rostlinné buňky Žárský, Cvrčková:

18 Cvrčková, Žárský kfrserver.natur.cuni.cz/anatomiez buněčná stěna Buněčná stěna membrána - mikrotubuly

19 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna Neprotoplazmatická součást Střední lamela v místě vláken fragmoplastu při dělení buněk Primární buněčná stěna - dostředivě

20 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna Neprotoplazmatická součást Střední lamela v místě vláken fragmoplastu při dělení buněk Vytváří se v telofázi mitózy (závěrečná fáze mitózy), kdy již proběhlo dělení jádra (karyokineze), a probíhá dělení buňky (cytokineze). V ekvatoriální rovině dělící se buňky vytvářejí přetrvávající mikrotubuly dělicího vřeténka fragmoplast. Podle mikrotubulů fragmoplastu migrují vesikuly (váčky) odškrcující se z diktyosomů Golgiho aparátu buňky. Vesikuly obsahují materiál k výstavbě buněčné stěny. Splýváním drobných vesikulů roste fragmoplast centrifugálním směrem, tj. od středu k obvodu buňky. střední lamela vytvářející tmel spojující buňky pletiva. Rozrušení střední lamely (macerace) vede k dezintegraci pletiva na samostatné buňky, např. u přezrálého ovoce, při máčení lnu, při klíčení semen.

21 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna Vrstvy BS postupně směrem dovnitř: -střední lamela, - primární buněčná stěna - sekundární buněčná stěna (pokud buňka druhotně tloustne).

22 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna Neprotoplazmatická součást Střední lamela v místě vláken fragmoplastu při dělení buněk střední lamela tvoří pektinovou mezivrstvu mezi buňkami, je snadno hydrolyzovatelná

23 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna střední lamela

24 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna Primární buněčná stěna -celulóza (krystaloidní organizace do mikrofibril), - v amorfní matrix hemicelulóz a pektinů. - Mikrofibrily: nepravidelně uspořádány, síťovitá struktura. - růst BS intususcepcí )vkládání nových stavebních složek do mikrofibrilární sítě buněčné stěny) - Primární buněčná stěna je základní a nejčastější formou stěny buněk - základní pletivo parenchym s tenkou buněčnou stěnou), - primární stěna může nepravidelně tloustnou - základní pletivo kolenchym - Méně často dochází k lignifikaci (dřevnatění) tj. impregnaci primární buněčné stěny ligninem (epidermis cykasů, jehličnanů, Laurus nobilis, Quercus ilex apod.).

25 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna Sekundární buněčná stěna -hlavně celulóza (větší podíl než u primární buněčné stěny, - téměř chybí pektiny a glykoproteiny - kromě extenzinu) - vrstevnatá, mikrofibrily celulózy leží paralelně vedle sebe v rámci jedné vrstvy, v další vrstvě jsou mikrofibrily pod jiným úhlem. - růst především do tloušťky tzv. apozicí přikládáním dalších vrstev materiálu centripetálně, směrem dovnitř. - zpravidla dřevnatí (lignifikuje), podíl ligninu až 15-35% sušiny BS, výrazná lignifikace ve středních lamelách. -Buňky postupně ztrácejí živý obsah (tvoří základní pletivo sklerenchym) (sklereidy, sklerenchymatická vlákna, tracheidy, cévní elementy). - inkrustace tj. ukládání minerálních látek do struktury buněčné stěny, (např. CaCO3 nebo SiO4 přesličky, trávy.

26 buněčná stěna Buněčná stěna Sekundární buněčná stěna Sklerenchym, vodivé elementy xylému 40-90% celulózy Při diferenciaci buněk (kdy již buňky nerostou) se na vnitřní stranu primární stěny přikládají lamely (destičky) Votrubová, Pazourek, 1997

27 buněčná stěna Buněčná stěna Sekundární buněčná stěna Ukládá se buď rovnoměrně: -Ztenčeniny jednoduché -Políčka plazmodezmů Votrubová, Pazourek, 1997 Foto: David T. Webb

28 buněčná stěna Buněčná stěna Sekundární buněčná stěna Nerovnoměrné ukládání: Vodivé elementy Votrubová, 2001

29 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna Celulóza: Primární buněčná stěna: celulózové fibrily polysacharid tvořený až 14 tisíci lineárně uspořádanými glukózovými jednotkami spojenými glykosidickými vazbami. Makromolekuly celulózy: vodíkovými můstky do pevných svazků celulózních mikrofibrily (šířka nm). Celulózové mikrofibrily Mikrofibrily vytvářejí vyšší strukturální jednotky makrofibrily. Makrofibrily mají průměr přibližně 0,5 mm, délku až 4 mm, a jsou již viditelné v optickém mikroskopu.

30 buněčná stěna Buněčná stěna Celulóza: Celulózové mikrofibrily Hemicelulózy (xyloglukany, arabinogalaktany) Glukoza spojovaná Beta-1,4 vazbou 20% v primární buněčné stěně (suchá hmotnost)

31 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna Hemicelulózy: Primární buněčná stěna sestává ze sítě celulózových fibril propojených hemicelulózami. Celulózové mikrofibrily Hemicelulózy - heterogenní polysacharidy chemické složení se může u jednotlivých systematických skupin značně lišit, např. pro buněčné stěny dvouděložných rostlin jsou charakteristické xyloglukany. Hemicelulózy jsou syntetizovány v Golgiho aparátu a do rostoucí buněčné stěny jsou transportovány sekretorickými vesikuly (váčky). Hemicelulózy (xyloglukany, arabinogalaktany )

32 Buněčná stěna Hemicelulózy: Box 2 How do hemicelluloses form a network with cellulose microfibrils? From the following article: Growth of the plant cell wall Daniel J. Cosgrove Nature Reviews Molecular Cell Biology 6, (November 2005) doi: /nrm1746

33 Buněčná stěna Pektiny : Necelulózní složka primární buněčné stěny Pektiny jsou heterogenní lineární polymery nejčastěji kyseliny galakturonové, vytvářející vápenato hořečnaté soli polygalakturonany, rhamnogalakturonany. Pektiny jsou syntetizovány v Golgiho aparátu a do buněčné stěny jsou transportovány sekretorickými vesikuly.

34 Buněčná stěna Pektiny :

35 Buněčná stěna Pektiny :

36 buněčná stěna Buněčná stěna - matrix Primární buněčná stěna

37 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna Bílkoviny: asi 100 druhů bílkovin -většina významně ovlivňuje mechanické vlastnosti buněčné stěny např. extenzin (glykoprotein bohatý na aminokyselinu hydroxyprolin), enzymy např. enzymy katalyzující methylaci a demethylaci pektinů aj. Celulózové mikrofibrily Hemicelulózy (xyloglukany, arabinogalaktany ) Pektiny (neutrální a kyselé) Glykoproteinyextensin

38 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna Bílkoviny:

39 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna Obsah jednotlivých složek buněčné stěny se mění během ontogeneze rostliny a je také rozdílný (kvalitativně i kvantitativně) u různých systematických skupin rostlin fylogenetická specifita. Celulózové mikrofibrily Hemicelulózy (xyloglukany, arabinogalaktany ) Např. buněčné stěny trav mají nižší obsah pektinů než buněčné stěny většiny jednoděložných a dvouděložných rostlin. Pektiny (neutrální a kyselé) Glykoproteinyextensin

40 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna

41 buněčná stěna Buněčná stěna - biosyntéza Biosyntéza celulózy: Povrch buňky rozetovité útvary - celulózasyntáza

42 buněčná stěna Buněčná stěna - biosyntéza Biosyntéza celulózy: Povrch buňky rozetovité útvary - celulózasyntáza

43 buněčná stěna Buněčná stěna - biosyntéza kfrserver.natur.cuni.cz/anatomiez

44 Rostlinná buňka a její součásti: Buněčná stěna - růst Růst BS: - apozicí (ukládání nových složek buněčné stěny, především celulózy, na vnitřní povrch stávající stěny) nebo - intususcepcí (vkládání nových stavebních složek do mikrofibrilární sítě buněčné stěny). - rozvolnění strukturální kostry - methylace pektinů inhibuje tvorbu vápníkových můstků propojujících molekuly pektinů, a tím zvyšuje plasticitu buněčné stěny. - fytohormony, především IAA - procesy snižující ph buněčné stěny. Acidifikace buněčné stěny pravděpodobně zvyšuje její plasticitu a stimuluje její růst.

45 buněčná stěna Buněčná stěna - plazmodezmy 50 nm, cytoplazmatické spoje, Kontinuum protoplastů symplast Desmotubulus propojený s ER 1 10 tisíc na 1 buňku! Shlukují se v primární políčka Buchanan et al. 2000

46 Plasmodesmata [30] are channels in the plant cell wall ( See Figure above: Green fluorescent punctae and the red arrowheads pointers on the TEM inset ) that in conjunction with associated phloem form an intercellular communication network that supports the cell-to-cell and long-distance trafficking of small molecules as well as of a wide spectrum of endogenous proteins and ribonucleoprotein complexes by Manfred Heinlein The Plasmodesmata Institut de Biologie Moléculaire des Plantes (IBMP-CNRS, UPR2357), Strasbourg, France.

47 buněčná stěna Buněčná stěna - plazmodezmy Kamenné buňky u hrušky

48 buněčná stěna Buněčná stěna plazmodezmy - symplast

49 buněčná stěna Transport: Příliš velké téma.. MB130 P12 Transport a distribuce látek v rostlinách Lipavská Helena

50 buněčná stěna Buněčná stěna modifikace Lignifikace - dřevnatění Některé z fenolických látek tvořících lignin Lignin: amorfní heteropolymer 3 fenolické látky, jejich zastoupení se liší u taxonomických skupin: -Koniferylalkohol - sinapylalkohol - kumarylalkohol nahosemenné Dvouděložné Trávy Votrubová, 2001

51 buněčná stěna Buněčná stěna modifikace Kutinizace hydrofobní polymer V buněčné stěně a kutikule Často výrazné u stonku Podélný řez listem Ficus

52 buněčná stěna Buněčná stěna modifikace Suberinizace hydrofobní polymer Pletivo korkové Endodermis, exodermis Carex gracilis Foto: Lena Lichtenberková

53 buněčná stěna Buněčná stěna modifikace Sporopolenin Odolný polymer Pylová zrna Pylové analýzy

54 1. Embryo a primární tělo rostliny Vývoj, ontogeneze rostlin Koncept rostlinného organismu 1.Neukončená organogeneze 2. Modulární stavba - FYTOMERA 3. Totipotence rostlinných buněk 4. Střídání n a 2n generací - rodozměna

55 1. Embryo a primární tělo rostliny Vývoj, ontogeneze rostlin Koncept rostlinného organismu kfrserver.natur.cuni.cz/anatomiez

56 1. Embryo a primární tělo rostliny Vývoj, ontogeneze rostlin Koncept rostlinného organismu Modulární stavba rostlinného Organismu Pravidelné opakovaní základní konstrukční jednotky - fytomery - Fytomera se skláda z nodu s listem příp. úžlabními pupeny) a internodia.

57 1. Embryo a primární tělo rostliny Vývoj, ontogeneze rostlin Koncept rostlinného organismu Modulární stavba rostlinného Organismu Pravidelné opakovaní základní konstrukční jednotky - fytomery - Fytomera se skláda z nodu s listem příp. úžlabními pupeny) a internodia. Zdrojem fytomer je meristém Dr. Brian E. Staveley;

58 1. Embryo a primární tělo rostliny Vývoj, ontogeneze rostlin Koncept rostlinného organismu Dolan lecture

59 3. Klasifikace pletiv Dr. Vladimír Vinter,

60 3. Klasifikace pletiv totipotence rostlinných buněk regenerace rostlin restituce (náhrada v ráně neobvyklé) vlastní regenerace z přítomného základu, který se nevyvíjel (byl dormantní) tvorba adventivních orgánů (rediferencice a tvorba orgánu de novo)

61 1. Embryo a primární tělo rostliny Totipotence a neukončená embryogeneze rostlin

62 1838 Schwann a Schleiden - buněčná teorie 1902 Myšlenka využití k regeneraci rostliny z jedné somatické buňky - G. Haberlandt 1902 Gottlieb Haberlandt.. without permitting myself to pose further question, I believe, in conclusion, that I am not making too bold a prediction if I point to the possibility that, in this way, one could successfully cultivate artificial embryos form vegetative cell.. ( Haberlandt, 1902) Důvody jeho neúspěchu: Nevhodný rostlinný materiál diferencovaná pletiva, jednoděložné rostliny Neznalost působení rostlinných regulátorů Nedostatečná sterilizace materiálu Lipavská: Rostlinné explantáty, přednáška

63 1. Embryo a primární tělo rostliny Totipotence, embryogeneze rostlin, množení in vitro

64 1. Embryo a primární tělo rostliny Primární tělo rostlin Apikální meristémy - primární: základy trvalých pletiv v hypokotylu: Protoderm Prokambium Základní meristém Každá rostlina : fáze, kdy jen apikální meristémy Primární rostlinné tělo z apikálních meristémů Kořenová čepička

65 4. Meristémy - pletiva dělivá Členění meristémů podle místa lokalizace: 1. Vrcholové - apikální 2. Laterální kambium, felogen jen dvouděložné 5,6 přednáška 3. Vmezeřené interkalární jen u trav 4. Bazální a marginální u listu Votrubová 2000 Dvouděložné x jednoděložné

66 4. Meristémy - pletiva dělivá Členění meristémů podle místa lokalizace: 1. Vrcholové - apikální 2. Laterální kambium, felogen 3. Vmezeřené interkalární jen u trav 4. Bazální a marginální u listu Interkalární meristém ve stéble pšenice (Triticum).

67 4. Meristémy - pletiva dělivá Jedna apikální buňka kapraďorosty Iniciála, totipotentní Korpus a tunika 1 a více vrstev Copyright held by: David T. Webb Forsythia

68 1. Embryo a primární tělo rostliny Iniciály kmenové buňky Dolan lecture

69 1. Embryo a primární tělo rostliny Iniciály kmenové buňky Dolan lecture

70 4. Meristémy - pletiva dělivá Apikální meristémy: stonek a kořen Apikální vrchol Listová primordia Postranní pupeny Další přednášky /LabsHTML-99/Stems-1/Labstem-1-99.html Stonek Elodea

71 zvětšování buněk dlouživý růst buněk zvětšuje se plocha buněčné stěny plocha plazmalemy objem vakuoly a plocha tonoplastu bez turgoru buňka neroste význam K + H 2 O syntéza celulózy hemicelulóz a pektinů lipidů proteinů Převzato od doc. Pavlové

72 2. Definice pletiva a systému pletiv Definice pletiva Dříve termín pletivo : skupiny buněk se společným původem, společnou funkcí Nová definice: Komplex buněk společného původu, který může být tvořen buňkami různého tvaru a funkce, které však slouží určité hlavní funkci či souboru funkcí

73 3. Klasifikace pletiv Klasifikace pletiv: Pletiva (dle vzniku) - nepravá (původně samostatné buňky se druhotně spojují - kolonie) - pravá (dělením jedné původní buňky vzniká kompaktní celek) - smíšená (druhotné spojení původně samostatných pletiv - plektenchym) Pletiva (dle původu) dělivá trvalá Pletiva (dle struktury) jednoduchá složená systémy pletiv

74 3. Klasifikace pletiv Jednoduchá pletiva Parenchym primární BS Kolenchym primární BS, - ztlustlá nepravidelně Sklerenchym sekundární BS, - ztlustlá pravidelně

75 3. Klasifikace pletiv Jednoduchá pletiva: parenchym Parenchym: Tenká primární BS. Fylogeneticky původní - dediferenciace Funkce: Reprodukce Fotosynteza Absorpce Sekrece Akumulace zásobních látek