embryogeneze u nahosemenných (Ginkgoaceae)

Transkript

1 EMBRYO opylení, růst pylové láčky oplození zygota embryo nahosemenných primární endosperm embryo krytosemenných sekundární endosperm embryogeneze in vitro osemení

2 embryogeneze u nahosemenných (Ginkgoaceae) integument sklerenchym megagametocyt archegonium polinační kapka mikrospory integument sporofyt (2n) gametofyt (n) nucelus nucelus kanálková buňka v době opylení (IV-V) dochází k meiozi megasporocytu, megaspora se opakovaně dělí za vzniku mnohobuněčného haploidního samičího gametofytu primární endosperm ventrální buňka oosféra

3 spermatogenní buňka se rozdělí ve 2 spermatické buňky a ty se vyvinou v polyciliátní spermatozoidy nucelus Sakugoro, 1886 hypokotyl radikula děloha vodní prostředí archegoniální komůrka primární endosperm pylová láčka nucelus po 3-5 měsících dojde k oplození (VIII-IX), - pouze jedné oosféry jedním spermatozoidem mladé embryo se začíná vyvíjet hned po oplození často ještě na stromě a dále se vyvíjí a dozrává po opadu nutné období tepla, embryo má dvě dělohy a k dispozici množství zásobních látek z primárního endospermu

4 vajíčka bez polinační kapky vajíčka s polinační kapkou embryogeneze u nahosemenných (Pinaceae) integument nucelus 2.rok 1.rok integument 3.rok prim.endosperm archegonia nucelus

5 vrůstání pylových láček přes nucelus do zárodečného vaku nahosemenných rostlin integument primární endosperm archegonium zárodečný vak = samičí gametofyt pylová láčka nucelus integument

6 embryogeneze u nahosemenných rostlin (Pinaceae) stádium proembrya v archegoniu (B-D) oplodnění oosfér v archegoniích vznik několika embryí (E) prodlužování buněk suspenzoru a vytlačení proembrya do primárního endospermu (F) později se proembryo v apikální části štěpí v několik následných embryí (G) tzv. polyembryonie, (H) vyvíjí se pouze dominantní embryo, ostatní zanikají postupné zanikání embryí v procesu řízené buněčné smrti - apoptóze

7 stádium proembrya v archegoniu nahosemenných rostlin podélný řez semenem proembryo v jednom oplozeném archegoniu

8 stádia embryogeneze v týdnu po oplození (waf) 1 waf stádium proembrya, 2 waf polyebryonie, 3-4 waf dominantní embryo, 11 waf zralé ebryo Pinus podélný řez embyem klíčící semeno semenáč s děložními lístky

9 embryogeneze u krytosemenných Hordeum papily větvené papily vícebuněčné Arabidopsis papily jednobuněčné Lilium blizna nepapilátní

10 opylení kontakt pylového zrna s bliznou, jeho aktivace a klíčení pylové láčky blizna skup. popis výskyt suchá I péřitá, mnohobuněčné větvené papily Poaceae (ne dvojděložné) II A. povrch nepapilátní Cyperaceae, Liliaceae Acanthaceae, Ranunculaceae B. povrch papilátní i. papily jednobuněčné ii. papily mnohobuněčné - jednořadé iii. papily mnohobuněčné - mnohořadé vlhká III papily nízké až střední exudát v mezerách Agavaceae, Alismataceae, Campanulaceae, Rutaceae Amaryllidaceae, Hypoxidaceae Amaranthaceae, Onagraceae Bromelieceae, Flagellariaceae Cucurbitaceae, Oxalidaceae Agavaceae, Orchideaceae Apocynaceae, Scrophulariaceae IV povrh bez papil, buňky ve zralosti nekrotizují, více exudátu než ve skup. III Araceae, Zingiberaceae Ericaceae, Rubiaceae Raghavan, 1997

11 exudát pod kutikulou Nicotiana - vodící pletivo čnělky duté (jednoděložné), kanálek čnělky - plné čnělky (dvouděložné) buňky protáhlé, vys. metabol. aktivita, odlišné pektiny, vylučování exudátu různé složení lipidy zabraňují vysychání glycidy zdroj energie fenolické látky zabraňují autooxidaci lipidů vydatná sekrece - Solanaceae, Rosaceae slabá sekrece Poaceae, Oleaceae bez sekrece Caryophylaceae, Brassicaceae inkompatibilita sporofytická Asteraceae, Brassicaceae - gametofytická Fabaceae, Solanaceae, Papaveraceae rychlost růstu pyl. láčky 0,5 3 mm/hod papila

12 během opylení a růstu pylové láčky dochází: k tvorbě gradientu fyziolog. aktivních látek podél čnělky (chemotropismus) ke stimulaci vývoje sporofytických pletiv semeníku k aktivaci vajíček příp. jejich diferenciaci, pokud byly ve fázi meristematických základů (Orchideaceae, Fagaceae) k indukci degenerace synergid a tvorbě filiformního aparátu pylová láčka Lilium fúze gamet (plazmogamie + karyogamie) Arabidopsis růst pyl.láček pestíkem

13 složky extracelulární matrix vodících pletiv čnělky - SCA (stylar cysteine-rich adhesin) - pektiny funikulární vedení mikropylární vedení chemická signalizace, navigace porogamie: vstup pylové láčky přes otvor klový fylogeneticky původnější, nahosemenné aporogamie: vstup jinými místy - mezogamie (vstup přes poutko a integumenty) Cucumis, Betula, Alnus, Juglans, Coryllus - chalazogamie (vstup chalazou) fylogeneticky nejpokročilejší doba mezi opylením a oplozením 1 hod Crepis, Hordeum hod většina druhů týdny měsíce Betulaceae, Fagaceae, Orchideaceae

14 degenerace synergidy, vstup pylové láčky do zárodečného vaku, uvolnění 2 spermatických buněk dvojité oplození: objevil Navašin, 1898 n spermatická buňka + n vaječná buňka = 2n zygota 2n embryo n spermatická buňka + 2n centr. jádro zárodeč. vaku = 3n endosperm (nebo polyploidní) jednoduché oplození: vyskytuje se pravidelně (dědičně) nebo sporadicky Orchideaceae druhá spermatická buňka degeneruje, nevzniká sek. endosperm syngamie = plazmogamie + karyogamie účinné mechanismy k zabránění heterospermie nebo polyspermie Perisperm - zbytek nucelu (diploidní sporofytické pletivo) pokud není spotřebován během vývoje zárodečného vaku nebo embrya, Piperaceae, Amaranthaceae, Cannaceae, Portulacaceae

15 endosperm zásobní pletivo (3n) vzniklé oplozením centrálního jádra zárodečného vaku (2n) jednou spermatickou buňkou (n) při dvojím oplození vajíčka krytosemenných rostlin jaderný typ počáteční dělení pouze jaderné, často u ZV s velkou centrální vakuolou, endosperm nástěnný, později může dojít k tvorbě buněčných stěn (jednoděložné i dvouděložné) helobiální typ první dělení buněčné s příčnou BS, ZV je tak rozdělen na 2 nestejné komory menší chalazální, kde dochází jen k několikerému dělení, a větší mikropylární, kde dochází k dělení pouze jadernému, nebo v jedné komoře dělení jaderné a ve druhé buněčné (častěji u jednoděložných) buněčný typ dělení jaderné následované buněčným dělením, nejčastěji příčným (ev. podélným nebo diagonálním), další dělení nepravidelná, někdy se tvoří haustoria na jednom či obou koncích endospermu, mohou hluboce pronikat do dalších pletiv vajíčka a zvyšovat tak přísun živin k embryu (Acanthus, Lobelia, Lobularia, Impatiens, Thesium) (častěji u dvouděložných) oosféra láčka příčné dělení podélné dělení častý u ZV s velkou centrální vakuolou jaderný typ helobiální typ časté u menších a užších ZV buněčný typ zastoupení rodů: jaderný 280 (50%), helobiální 44 (8%), buněčný 139 (25%), polymorfický různý 28 (5%) a žádný 69 (12%) Proc R Soc Lond (2002) 270:29-35

16 struktura a vývoj endospermu u Ranunculus typ jaderný a) podélný řez zárodečným vakem, jednovrstevný integument (I), dvouvrstevný nucelus (NC), velká centrální vakuola (CV), nástěnná cytoplazma endospermu (En) s volnými buněčnými jádry (N) b) endosperm tvořen syncytiem 128 jader c) celularizace endospermu (En) antiklinální buněčné stěny (AW), buňky s obsahem škrobu (S) Em embryo AC - komplex antipod

17 vývoj endospermu u Arabidopsis jaderná a celulární fáze vývoje řízena epigeneticky, rozhodující je poměr mateřských a otcovských alel, více otcovských = prodloužení nukleární fáze, více mateřských = urychlení celularizace A anteriorní pól -> mikropylární endosperm P posteriorní > chalazální endosperm postupná celularizace v doménách, úplná celularizace po VIII. mitóze = 128 jader evoluční hledisko vývinu endospermu nahosemenné: před oplozením se vyvíjí samičí gametofyt s velkou rezervou primárního endospermu krytosemenné: hypotéza 1 sporofytický charakter endospermu, jako přeměněné embryo (altruistický model) hypotéza 2 gametofytický charakter endospermu jako u nahosemenných, ale vývoj pokračuje až po oplození (ochrana rezerv v případě neúspěšného oplození) Curr Op Plant Biol (2003) 6:42-50

18 epigenetická kontrola vývoje endospermu v somatických buňkách dochází k umlčení = inaktivaci rodičovských alel genu MEA (MEDEA) metylací = imprinting během vývoje zárodečného vaku = megagametogeneze funguje specifická demetyláza DME (DEMETER), která aktivuje maternální MEA během mikrogametogeneze DME není exprimována => paternální MEA zůstává neaktivní vývoj endospermu je tedy řízen maternální MEA, která zamezuje jeho nadměrnému růstu ( zájem matky ), pro optimální vývoj endospermu je důležitý poměr maternálních a paternálních alel - nejčastěji 2:1, v případě většího podílu paternálních alel dojde k nadměrnému vývinu endospermu ( zájem otce ) ale také k pozdější aborci takovýchto semen Curr Biol (2004) 14:R201-R203

19 zygota k dělení zygoty dochází v různou dobu po opylení (Oryza, Crepis několik hodin, Pistacia 2 měsíce), dělení zygoty zpravidla následuje po dělení endospermu, výrazná polarizace zygoty (apikální část jádro, bazální část vakuola) umožňuje její asymetrické dělení na menší buňku apikální (ca) a větší buňku bazální (cb) jádro zygoty vakuola Quercus zachovalá synergida degenerovaná synergida Zea Dilleniaceae zygota s haustoriálními výběžky do endospermu

20 embryonální typy dle buněčného dělení ca apikální buňka cb bazální buňka ca hustější cytoplazma množství organel ribosomy polysomy fragmentace vakuol postupné vymizení hodně RNA + bílkovin cb bohatě vyvinutý vakuolární systém méně ribosomů Wardlaw, 1955

21 rané proembryo stádium oktant suspenzor

22 embryogeneze u dvouděložných ac oktant bc stádium srdcovité stádium torpédovité zralé embryo Capsella stádium globulární blastoméry buňky apikální + bazální mikroméry deriváty buňky apikální makroméry - deriváty buňky bazální vysoká metabolická aktivita suspenzoru!!! bazální buňka

23 průběh embryogeneze u Capsella

24 vývoj embrya Capsella hypokotyl dělohy radikula Capsella

25 vývoj embrya u Arabidopsis oktant vznik epidermis rané torpédovité srdčité pozdní torpédovité ep epidermis co základ děloh vp prokambium rp základ kořene

26 ABA aktin, tubulin genová exprese během embryogeneze mutace ve fázi raného (i) a pozdního (j) srdcovitého embrya, chaotické buněčné dělení embryonální mutace Arabidopsis - mutace

27 role auxinu v rané embryogenezi, ustavení osy embrya auxinové maximum v apikální buňce se exprimuje MP (MONOPTEROS) = transkripční faktor kontrolující expresi dalších genů řízených auxinem, BDL (BODENLOS) = represor MP, po aktivaci auxinem (jeho přísun zajištěn auxinovým přenašečem PIN7 v horní membráně bazální buňky) je represor BDL určen k degradaci a MP uvolněn k aktivaci genů řízených auxinem, dále dojde k zajištění auxinového maxima v hypofyzis, která se stane součástí kořenového meristému a tím se ustaví osa embrya

28 exrese MONOPTEROS (MP) rozhoduje o ustavení osy embrya i diferenciaci cévních svazků globulární stádium srdčité stádium rané torpédovité st. všechny buňky postupné vymezování exprese do prokambia exprese v prokambiu exprese v prokambiu a apikálním meristému stonek pestík exprese v prokambiu list exprese v prokambiu exprese v poutkách vajíček EMBO (1998) 17:

29 genová exprese je často (pokud nejde o tzv. house-keeping geny) místně specifická vázaná na jednotlivé orgány, pletiva nebo domény buněk. Uvedené geny jsou příkladem genů transkripčních faktorů, jejichž specifické exprese a přítomnost v jednotlivých buňkách mladého embrya znamená regulaci dalších (down-steam) genů v regulační kaskádě, a která zajišťuje časově i místně koordinovanou expresi genů potřebných nejen pro období embryogeneze ale i ontogeneze celé rostliny. exprese různých genů během vývoje embrya Arabidopsis protoderm meristém stonku hypofýza meristém kořene základy děloh odpovídá lokalizaci auxinu

30 typy suspenzorů Orobus Asperula Impatiens Lobelia Cicer 4 mnohojaderné buňky suspenzoru haustoria suspenzoru embryo embryo 2 řady velkých jednojaderných buněk haustoria endospermu (větší přísun živin pro embryo)

31 vývoj zárodečného vaku u lilie dvojité oplodnění vývoj embrya a endospermu oosféra embryo zárodečný vak z 8 buněk obklopený nucelem a uzavřený v obalech vajíčka endosperm obaly vajíčka (integumenty) osemení

32 embryogeneze u jednoděložných (Liliaceae) Muscari globulární embryo Lilium Lilium

33 podélný řez mladým semenem s vyvíjejícím se embryem a endospermem endosperm endosperm embryo embryo Lilium Lilium

34 embryogeneze u jednoděložných (Poaceae) eb epiblast, cl - koleoptile pv vzrostný vrchol Poa ontogenetický program pro determinaci a vývoj apikálního meristému a koleorhizy embrya kukuřice, specifická exprese transkripčních faktorů ZmNAM a ZmNAC, které předurčují další vývoj pletiv

35 příklady několika genů aktivních v různých doménách vyvíjejícího se embrya jde o geny transkripčních faktorů, které posléze řídí regulaci dalších genových kaskád (down-stream)

36 specifické struktury embrya Poaceae koleoptile, koleorhiza, skutelum, aleuronová vrstva bílkoviny buňky aleuronové vrstvy škrob buňky endospermu endosperm - škrob skutelum = štítek (absorpční pletivo) koleoptile aleuronová vrstva - bílkoviny vrchol stonku vrchol kořene Triticum Zea koleorhiza

37 endosperm obilky aleuronová vrstva (bílkoviny) vnitřní endosperm (škrob) oplodí osemení

38 semena s redukovaným endospermem a embryem často u rostlin parazitických, poloparazitických, u orchidejí Monotropa Burmannia Spathoglothi Striga

39 apomixie vznik embrya nepohlavní cestou zygota zvětšování buněk nucelu vznik embryí Poncirus vznik embrya z nucelu, adventivní embryonie

40 pylová embryogeneze (androgeneze) embrya vznikají z pylových zrn buď abnormálním zmnožením vegetativní nebo generativní buňky anebo cestou symetrického dělení mikrospory za vzniku dvou rovnocenných jader, která vstupují do další mitózy embrya jsou haploidní technologie prašníkových kultur, využití při šlechtění rostlin somatická embryogeneze různé části rostlin rostlinné explantáty vytvářejí v kulturách in vitro (agar, živiny, fytohormony) kalus dediferenciací trvalých pletiv, za určitých podmínek se v kalusu zakládají somatická embrya, která jsou morfologicky i funkčně shodná s embryi zygotickými

41 palisádovité makrosklereidy osemení (testa) vyvíjí se z integumentů vajíčka Arabidopsis stěna šešule vnější a vnitřní vrstva integumentu endosperm embryo

42 vývoj osemení u Arabidopsis ol vnější vrstva buněk il vnitřní vrstva buněk ol + il tenké BS velké vakuoly OW vnější BS VA vakuola ol škrob na vnější tg. BS v centrální části il škrob na vnitřní tg. BS v centrální části SG škrobová zrna ol depozice slizu mezi BS a PM, prstenec kolem škrobu il fragmentace vakuol, zvětšování škrobu, komprese celé vrstvy MU sliz ol mizí vakuoly, více slizu, vyklenutí vnější stěny, začátek degradace škrobu il další komprese buněk ol depozice sekundární BS kolem středního sloupku il degradace buněk, tloustnutí vnitřní BS CO sloupek RW radiální BS

43 vývoj osemení u Arabidopsis radiální BS prstenec slizu kolumela původní místo kolumely příčný řez sekundární buněčné stěna vnější tangenciální BS kolumela - sloupek cytoplazmy se škrobovými zrny se vytváří ve střední části buňky ukládáním slizových látek mezi buněčnou stěnu a plazmatickou membránu se vytváří prstenec kolem centrálního sloupku kolumela později dochází sekundárnímu tloustnutí BS, a to zejména na místě kolumely podélný řez