Procesy buněčné morfogeneze rostlin při přechodu z vody na souši. Viktor Žárský & co.

Transkript

1

2 Procesy buněčné morfogeneze rostlin při přechodu z vody na souši Viktor Žárský & co. ÚEB AVČR PřF UK Olomouc

3 Úvod evoluce Země a hlavní adaptace rostlin při přechodu na souši Projekt EU ITN-PLANTORIGINS a rekonstrukce životních cyklů prvních suchozemských rostlin jaký evoluční původ má mnohobuněčný sporofyt Buněčná morfogeneze a přechod na souši

4 První atmosféra redukční Škodlivé UV záření proniká volně na zemský povrch

5 Great Oxidation Event (GOE) 2.4 miliardy let

6 Současný pohled na fylogenezi eukaryot * (Simpson and Roger, Curr. Biol. 14:R693, 2005)

7 Současný pohled na fylogenezi eukaryot * sinice (Simpson and Roger, Curr. Biol. 14:R693, 2005)

8 Původ plastidů: jednou a přece víckrát! Primární endosymbióza (sinice) Sekundární endosymbióza U sekundárních endosymbiontů je plastid vlastně řasa, z jádra někdy nukleomorf.

9 Fotosyntetické organismy v rámci 5 říší Glauco phyta Rozsivky atd. Obrněnky Hnědé řasy Euglenozoa

10 Mnohobuněčnost vznikla u rostlin několikrát... a také u hnědých řas, i když to nejsou rostliny (Phaeophyta, Stramenopila!) Fucus (Yoon, Mol. Biol. Evol. 21:809, 2004)

11 Mnohobuněčnost rostlin je evolučně nepříbuzná mnohobuněčnosti živočichů

12 Na souši přešla Embryophyta sestry parožnatek Embryophyta Charophyta (Yoon, Mol. Biol. Evol. 21:809, 2004)

13 Charophyceans, closest algal relatives of the plant kingdom Chara Coleochaete

14 Na souši přešla Embryophyta sestry parožnatek Embryophyta Došlo k tomu nejpozději po počátku Ordoviku před 470 mil. let. (Yoon, Mol. Biol. Evol. 21:809, 2004)

15 na kontinentu Gondwana

16

17 První suchozemské rostliny se podobaly játrovkám Marchantia -pohlavní rozmnožování (nahoře) a nepohlavní (dole)

18 Lišejníky byly asi první už v prekambriu

19 Rostliny kolonizovaly souši jen jednou a jen zelené rostliny

20 Mechorosty špatně fosilizují jediným dokladem jsou sporopoleninem kryté spory. První makrofosilie suchozemských rostlin až z rozhraní Siluru a Devonu. Výstup ze sladké vody

21

22 Trilete spores

23 Hlavní evoluční novinky/adaptace suchozemských rostlin Ukotvení v substrátu a příjem vody Zpevnění architektury (lignifikace) a transport vody Kutikula a průduchy výměna plynů Ochrana proti UV záření Evoluce pohlavního rozmnožování na souši

24

25

26

27

28

29 První opravdu cévnaté rostliny byly Rhynie Aglaophyton major

30 Rhyniophyta

31 EVOLUČNÍ NOVINKY PRVNÍCH SUCHOZ. ROST. KUTIKULA, PRŮDUCHY, LIGNIFIKACE Klíčový význam lignifikace SEKUND. METAB.

32 Houby pomáhaly rostlinám na souši

33 EVOLUČNÍ NOVINKY PRVNÍCH SUCHOZ. ROST. KUTIKULA, PRŮDUCHY, LIGNIFIKACE POHLAVNÍ ROZMNOŽOVÁNÍ Klíčový význam vývoj SPOR RODOZMĚNA

34 Evoluce suchozemských rostlin

35 Rodozměna Tendence k rozvoji/převládnutí sporofytu Jak vůbec vznikl mnohobuněčný sporofyt?

36 Rodozměna Tendence k rozvoji/převládnutí sporofytu Jak vůbec vznikl mnohobuněčný sporofyt? 2n n

37

38 Dvě hypotézy o vzniku dvou generací u rostlin Interpolační teorie - předek měl diploidní jen zygotu (tak je tomu u parožnatek). Oddálení meiózy po mitotickém dělení zygoty vede ke vzniku sporofytu. Transformační teorie - předek suchozemských rostlin vyvinul simultánně mnohobuněčný gametofyt i sporofyt (analog. Ulva). Stará dobrá Coleochaete hypotéza mluví pro IT.

39 Dvě hypotézy o vzniku dvou generací u rostlin Interpolační teorie - předek měl diploidní jen zygotu (tak je tomu u parožnatek). Oddálení meiózy po mitotickém dělení zygoty vede ke vzniku sporofytu. Transformační teorie - předek suchozemských rostlin vyvinul simultánně mnohobuněčný gametofyt i sporofyt (analog. Ulva). Stará dobrá Coleochaete hypotéza mluví pro IT.

40 VE SKUTEČNOSTI STÁLE NEROZHODNUTO Interpolační /ANTITHETICKÁ TEORIE VS. Transformační /HOMOLOGNÍ TEORIE

41 VE SKUTEČNOSTI STÁLE NEROZHODNUTO Interpolační /ANTITHETICKÁ TEORIE VS. Transformační /HOMOLOGNÍ TEORIE V ČEM JE PROBLÉM?

42 P. patens life cycle. (A) A haploid spore germinates into (B) chloronemal cells, which continue to grow and differentiate into (C) caulonemal cells. (D) Gametophores, or shoots, emerge off protonemal filaments and are ultimately anchored by rhizoids that grow by tip growth from the base of the gametophore. (E) At the apex of the gametophore, both female, archegonia (arrows), and male, antheridia (arrowheads), organs form. A motile flagellate sperm fertilizes the egg and the (F) sporophyte (marked with a bracket) develops at the apex of the gametophore. (A,E,F)

43

44 KAM SE PODĚLO PROTONEMA? SPOROFYT JE AUTONOMNÍ

45 Úvod hlavní evoluce Země a hlavní adaptace rostlin při přechodu na souši Projekt EU ITN-PLANTORIGINS a rekonstrukce životních cyklů prvních suchozemských rostlin jaký evoluční původ má mnohobuněčný sporofyt Buněčná morfogeneze a přechod na souši

46 Banks et al. 2011

47 Banks et al. 2011?

48

49

50 2n a n generace Rhynií Taylor et al.

51 2n a n generace Rhynií n 2n Taylor et al.

52

53 SPOROFYT JE NEZÁVISLÝ NA GAMETOFYTECH A PROTONEMA SCHÁZÍ

54 Evoluce suchozemských rostlin ČASNÉ CÉVNATÉ ROSTLINY SE ODDĚLILY MOŽNÁ VELMI BRZY

55 Existují evoluční souvislosti mezi genetickými programy, které řídí tvorbu orgánů gametofytu a sporofytu? (LABORATOŘ LIAMA DOLANA)

56 Existují evoluční souvislosti mezi genetickými programy, které řídí tvorbu orgánů gametofytu a sporofytu? MODEL MECH Physcomitrella patens

57 Mech Physcomitrella patens je dosud jediný rostlinný model, který umožňuje homologní rekombinace - tzv. gene knock-out Základní buněčné, tropické a fytohormonální systémy jako u vyšších rostlin.

58 Příklad TF-basic HLH řídí vývoj kořen. vlášení (Arab.=2n) i rhizoidů (Physco.=n) (Menand et al. 2007, Science)

59 Vývojové programy mezi gametofytem a sporofytem mohou být evolučně prostupné regulace, která se vyvinula v jedné generaci může být použita (rekrutována do) v druhé.

60 Úvod hlavní evoluce Země a hlavní adaptace rostlin při přechodu na souši Projekt EU ITN-PLANTORIGINS a rekonstrukce životních cyklů prvních suchozemských rostlin jaký evoluční původ má mnohobuněčný sporofyt Buněčná morfogeneze a přechod na souši

61 PŘECHOD DO 3D

62 Řízení roviny buněčného dělení isodiametrická expanse - růst polarizovaná expanse Cytokinese - buněčné dělení jako zvláštní typ buněčné polarity růst na špičce

63 The Exocyst Complex vesicle Vesicle Sec15 Sec4 Exo84 Sec10 Sec3 Sec5 Exo70 Sec6 Sec8 Plasma membrane (Munson and Novick 2006)

64 The Exocyst is Localised to Sites of Intensive Secretion yeast MDCK epithelial cells neurons

65 Fendrych et al. 2010

66 The homologs of exocyst subunits in moss SEC3 SEC5 SEC6 SEC8 SEC10 SEC15 EXO70 EXO84 yeast mammals Physcomitrella Arabidopsis (Eliáš et al. 2003)

67 Partial SEC6 deletion in Physcomitrella patens WT SEC6 In collaboration with Fabien NOGUE, INRA, Versailles, France

68 Gravity sensing test The clone #6 displays 10% of filaments growing incorrectly, clone #8 almost 30% with wrong direction of growth Wt sec6 mutant strains #6 #8

69 Buds development in sec6 mutant WT Early stage of bud development in Sec6 mutant is similar to WT But further development is stopped in the final six cell stage Subsequently the bud turns to necrosis Ppsec6 #6

70 The homologs of exocyst subunits in moss SEC3 SEC5 SEC6 SEC8 SEC10 SEC15 EXO70 EXO84 yeast mammals Physcomitrella Arabidopsis (Eliáš et al. 2003)

71 The sec15a mutant present an aberrant size and shape of phylloids WT Sec15a mutant Double tip Triple tip Bright light images and in vivo image of the Sec15amutant phylloids

72 Overall view on gametophores in Sec15a mutant -Dwarfed size -Abberant growth of bud out of phylloid -Abnormal growth of protonema filament from phylloid - Twisted tips of phylloids

73 Early stage of development of a bud in the Sec15a mutant Early side branching of the bud develops into new leafy shoot The bud grows out from the junction between two cells

74 The sec15a mutant present an aberrant number and shape of capsules Wild Type Sec15a mutant -WT contains usually one capsule on the apex of a gametophore -The sec15a mutant can have two or more capsules in different stage of development - Antheridia and archegonia are still present surrounding the capsules

75 Plant Exocyst (Elias et al. 2003) SEC3 SEC5 SEC6 SEC8 SEC10 SEC15 EXO70 EXO84 yeast mammals Oryza Arabidopsis homologs of all eight exocyst subunits have been identified in silico in all tested plant genomes plant homologs of exocyst subunits are often encoded by multiple genes in contrast to yeast and animals the EXO70 gene proliferated into a large gene family in land plants Populus 26 Physcomitrella 13 Selaginella 7 Chlamydomonas 1

76 OUR TOPIC IN PLANTORIGINS (Elias et al. 2003) SEC3 SEC5 SEC6 SEC8 SEC10 SEC15 EXO70 EXO84 yeast mammals Oryza Arabidopsis homologs of all eight exocyst subunits have been identified in silico in all tested plant genomes plant homologs of exocyst subunits are often encoded by multiple genes in contrast to yeast and animals the EXO70 gene proliferated into a large gene family in land plants Populus 26 Physcomitrella 13 Selaginella 7 Chlamydomonas 1

77 OUR TOPIC IN PLANTORIGINS - (Elias et al. 2003) WHY SO MANY EXO70s? SEC3 SEC5 SEC6 SEC8 SEC10 SEC15 EXO70 EXO84 yeast mammals Oryza Arabidopsis homologs of all eight exocyst subunits have been identified in silico in all tested plant genomes plant homologs of exocyst subunits are often encoded by multiple genes in contrast to yeast and animals the EXO70 gene proliferated into a large gene family in land plants Populus 26 Physcomitrella 13 Selaginella 7 Chlamydomonas 1

80 Putative Exo70.1b mutant Exo70.1b knock-outs candidates showing phyllid tip in the early development

81 exo70.1c mutant candidates Exo70.1c knock-outs candidates showing more than one shoot at the apex

82 exo70.1b knock-outs candidates showing formation of archegonia at apex and isolated archegonium in the leaf axils (without antheridia) Exo70.1b knock-outs candidates showing formation of antheridia in the leaf axil

83 Exo70.1c knock-outs candidates showing impaired growth / positioning /formation of reproductive organs

84 3X EXO70 IN EARLY LAND PLANTS Synek et al Cvrčková et al. In prep.

85 3X EXO70 IN EARLY LAND PLANTS Synek et al Cvrčková et al. In prep.

86 PŘECHOD DO 3D?

87 DEPB - Charles Univ. and Lab. of Cell Biol. IEB ASCR

88 Major collaborations in work presented: LIAM DOLAN JOHN FOWLER REX COLE CORVALLIS, USA Fabien Nogue INRA Versailles Andrew Cuming & Yasuko Kamisugi University of Leeds FUNDING : GACR Czech Science Foundation EU-ITN "PLANTORIGINS" MSMST RES. C. "REMOROST"

89

90

91 Tethering complex??

92 scn1 mutant in Rho/RopGDI1 Carol et al. 2005

93 Vesicle Trafficking F-actin early endosome nucleus Rab24 ER lysosome/ vacuole Rab9 Rab18, 20, 22 Rab7 Rab5 late endosome Rab3, 8, 13 RHO/ROP plasma membrane Rab1, 2 Rab11 Sec4 Golgi TGN Rab6, 10, 12

94 Tethering Mechanisms Approach > Vesicle tethering > SNARE assembly > Fusion exocyst v-snare t-snare polarized secretion requires proper targeting of secretory vesicles to specific sites on the plasma membrane the exocyst holds vesicles in proximity to the plasma membrane and facilitates, thus, the formation of SNARE complexes that mediate fusion