Reprodukční orgány II

Transkript

1 Reprodukční orgány II Plant cell (1993) 5:

2 Reprodukční orgány II Střídání generací u semenných rostlin Vývoj samčího gametofytu Mikrosporogeneze Mikrogametogeneze Interakce sporofytu s gametofytem Přenos pylu na bliznu / opylení Progamická fáze Oplození Vývoj semene Reprodukční orgány II Střídání generací u semenných rostlin Vývoj samčího gametofytu Mikrosporogeneze Mikrogametogeneze Genová exprese v haploidním systému Interakce sporofytu s gametofytem Přenos pylu na bliznu / opylení Progamická fáze Oplození Vývoj semene

3 Střídání generací u kvetoucích rostlin Sporofyt Vlastní rostlina, relativně dlouhý život Diploidní Gametofyt Pylové zrno/pylová láčka; Zárodečný vak Haploidní Výhoda -přežívání Výhoda, nevýhoda? mutačních událostí Úloha gametofytu: každá mutace se pomocí alelické projeví komplementace Samčí gametofyt 1) Nevýhoda Zajištění kumulace pohlavního rozmnožování rostlin omezená, leč na mutací sporofytu nezávislá 2) Zrychlený a efektivnější přírodní výběr existence Reprodukční orgány II Střídání generací u semenných rostlin Vývoj samčího gametofytu Mikrosporogeneze Mikrogametogeneze Genová exprese v haploidním systému Interakce sporofytu s gametofytem Přenos pylu na bliznu / opylení Progamická fáze Oplození Vývoj semene

4 M I K R O S P O R O G E N E Z E M I K R O G A M E T O G E N E Z E Vývoj prašníku

5 Reprodukční orgány II Střídání generací u semenných rostlin Vývoj samčího gametofytu Mikrosporogeneze Mikrogametogeneze Genová exprese v haploidním systému Interakce sporofytu s gametofytem Přenos pylu na bliznu / opylení Progamická fáze Oplození Vývoj semene

6 Mikrosporogeneze Mateřská buňka pylu = mikrosporocyt = meiocyt Před meiosou spojena plasmodesmaty s tapetem Profáze I. Meiosy Přerušení plasmodesmat Syntéza kalosové stěny kolem meiocytů Existence cytomiktických kanálů mezi meiocyty synchronisace meiotických dělení? Meiosa Mikrosporogeneze Degradace většiny RNA a ribosomů Dediferenciace plastidů a mitochondrií Zničení informačních makromolekul přetrvávajících z diplofáze Nastolení neutrálního prostředí, ve kterém se zapíná gametofytický vývojový program

7 Meiosa Mikrosporogeneze Oddělená karyokineze a cytokineze Simultánní (tabák) Následná (lilie) Mikrosporogeneze Mechanismy regulace počátků gametofytické vývojové cesty????????????? SPOROCYTELESS TETRASPORE Studium mutací Transkripční faktory

8 Uvolnění mikrospor Mikrosporogeneze Degradace kalosové buněčné stěny oddělující mikrospory v tetrádě β-1,3-glukanasa (kalasa) syntetisovaná buňkami tapeta Kritický moment správné načasování a synchronisace sekrece kalasy Mutace QUARTET: nedochází k rozpadu tetrád; z prašníku uvolněny tetrády zralých životaschopných pylových zrn narušení degradace pektinových složek stěny Reprodukční orgány II Střídání generací u semenných rostlin Vývoj samčího gametofytu Mikrosporogeneze Mikrogametogeneze Genová exprese v haploidním systému Interakce sporofytu s gametofytem Přenos pylu na bliznu / opylení Progamická fáze Oplození Vývoj semene

9 Mikrogametogeneze Rapidní růst mikrospor Syntéza buněčné stěny spolupráce sporofytu a gametofytu exina, intina Fúze vakuol v jedinou centrální a její masivní růst morfogenetická úloha vody Migrace jádra směrem k okraji buňky Mikrogametogeneze I. pylová mitosa Výrazně asymetrické dělení mikrospory Mikrospora Mladé pylové zrno Vegetativní buňka + Generativní buňka Struktura buňka v buňce

10 Mikrogametogeneze I. pylová mitosa Cytokineze Degradace kalosy kalosová přepážka rozpuštění přepážky Migrace generativní buňky do nitra vegetativní buňky Syntéza pravé buněčné stěny kolem generativní buňky Struktura buňka v buňce Mikrogametogeneze I. pylová mitosa Klíčový moment při determinaci gametofytického směru vývoje Mikrospora Mladé pylové zrno Zahájení nevratné diferenciace VB Nemožnost iniciace pylové embryogeneze Totální změna genové exprese Ztráta totipotence VB

11 Mikrosporová / pylová (haploidní) embryogeneze Zvrácení gametofytického vývojového programu zpět na program sporofytický Po působení šoku Haploidní rostliny Dihaploidní rostliny Význam ve šlechtitelské praxi Produkce homozygotních linií Mikrogametogeneze II. pylová mitosa Generativní buňka 2 buňky spermatické Dvojbuněčný/trojbuněčný pyl PMII po vyklíčení v rostoucí láčce PMII ve zrajícím pylu Tabák Řepka

12 Profáze Metafáze II. pylová mitosa Arabidopsis thaliana Anafáze Telofáze Anjusha Durbarry, unpubl. Mikrogametogeneze Zrání pylu Vegetativní buňka Akumulace značných metabolických rezerv sacharidy, lipidy, RNA, bílkoviny 1) Rezervy krátkodobé Růst pylového zrna Syntéza intiny Osmoprotekce prolin Dehydratace - škrob Pylová mitosa II 2) Rezervy dlouhodobé Využity v rostoucích láčkách Syntéza buněčných membrán a buněčné stěny

13 Mikrogametogeneze Dozrávání pylu Rozpad a degradace vakuoly Degradace škrobu Dehydratace pylu stupeň dehydratace: Topol 94% Kukuřice 50% Tykvovité pod 5% Zásobní RNA a bílkoviny Uvolnění z prašníku a přenos na bliznu Reprodukční orgány II Střídání generací u semenných rostlin Vývoj samčího gametofytu Mikrosporogeneze Mikrogametogeneze Genová exprese v haploidním systému Interakce sporofytu s gametofytem Přenos pylu na bliznu / opylení Progamická fáze Oplození Vývoj semene

14 Tapetum Interakce gametofytu se sporofytem Vrstva buněk obklopující prašné pouzdro Dočasná přítomnost zejména během vývoje mikrospor Programovaná buněčná smrt Pro vývoj pylu zásadní popsáno mnoho sporofytických mutací způsobujících samčí sterilitu 1) Syntéza kalasy uvolnění mikrospor z tetrád 2) Výživa mikrospor a mladého pylu 3) Podíl na tvorbě pylové buněčné stěny a dalších obalů Výživa mikrospor a mladého pylu Podíl gametofytické i sporofytické regulace Sporofyt (tapetum) kontrola produkce metabolitů a) syntéza a sekrece b) degradace kalosy produkce glukosy Gametofyt kontrola importu metabolitů 1) Osmoprotektanty prolin, glycin betain - transport do pylu silná exprese prolinového přenašeče 2) Monosacharidy (hexosy, pentosy) produkty degradace kalosy import do mikrospor (monosacharidový přenašeč) 3) Sacharosa úloha při dehydrataci ochrana membrán pozdní pylový membránový H + -sacharosový přenašeč

15 Buněčná stěna pylového zrna Zcela unikátní struktura a chemické složení Syntéza společným působením sporofytu a gametofytu Proměnlivé složení v různých obdobích fenomén kalosy Tectum Exine Intine Sexine Nexine Baculum Lumina Nexine I Nexine II Kalosa β-1,3-glukan Syntéza: β-1,3-glukan synthasa (kalosa synthasa) Degradace: β-1,3-glukanasa (kalasa) Výskyt: 1) Stěna oddělující mikrospory v tetrádě 2) Prvotní stěna oddělující vegetativní a generativní buňku po I. pylové mitose 3) Složka buněčné stěny pylové láčky 4) Zátky oddělující jednotlivé segmenty pylové láčky

16 Exina Intina Hlavní složka Sporopolenin Pektiny a celulosa Původ a kontrola tvorby Sporofyt Gametofyt zděděná předmeiotická volné mikrospory cytoplasma časných mikrospor a tapetum Časování syntézy V tetrádách, syntézou celulosové primexiny Vzorování záhy po uvolnění mikrospor přesný mechanismus neznámý, sekrece malých váčků z tapeta a ukládání sporopoleninu, vznik bakulí a tekta Ve volných mikrosporách, před ukončením syntézy exiny a vakuolisací Sporopolenin Vysoce odolný biopolymer Prakticky nerozpustný Odolný vůči neoxidativním degradačním procesům Degradace Drastické oxidační podmínky -Směs kys. sírové a peroxidu vodíku - Oxidace nitrobenzenem Neznámé přesné složení Dlouhé nasycené alifatické řetězce (vyšší mastné kyseliny) s různým množstvím aromatických skupin (fenylpropanoidy) Skupina vzájemně příbuzných biopolymerů Velice variabilní díky nejednotnému fylogenetickému původu

17 Pollenkitt / Pollen coat Nejsvrchnější vrstva pylových obalů (až 10-15% hmoty pylu) Výhradně sporofytický původ Vzniká vlivem sekrece a později degradace tapeta usazením sekretů a zbytků tapetálních buněk na povrchu pylu Jednoduchý až bohatě strukturovaný Lipidy, bílkoviny, glykokonjugáty, pigmenty (flavonoidy, karotenoidy) Pollenkitt / Pollen coat Funkce Ochrana před UV zářením Vůně a barva pylu lákání opylovačů Mechanické vlastnosti pylu - adhesivita (interakce pyl-pyl, pyl-blizna) Hydratace pylu Komunikace mezi pylem a bliznou

18 Mutace ve formování stěny Arabidopsis thaliana WIP316 WIP117 WT WIP277 WIP278 Borovice

19 Mimosa Mák

20 Slunečnice Mučenka

21 Reprodukční orgány II Střídání generací u semenných rostlin Vývoj samčího gametofytu Mikrosporogeneze Mikrogametogeneze Genová exprese v haploidním systému Interakce sporofytu s gametofytem Přenos pylu na bliznu / opylení Progamická fáze Oplození Vývoj semene Přenos pylu na bliznu / opylení Samosprašnost / cizosprašnost (Autogamie / alogamie) Kleistogamie Snížení možnosti autogamie Heterostylie Větrosprašnost (anemofilie) Hmyzosprašnost (entomofilie) zoofilie hydrofilie Dichogamie Proterogynie x protandrie

22 Reprodukční orgány II Střídání generací u semenných rostlin Vývoj samčího gametofytu Mikrosporogeneze Mikrogametogeneze Genová exprese v haploidním systému Interakce sporofytu s gametofytem Přenos pylu na bliznu / opylení Progamická fáze Oplození Vývoj semene Progamická fáze Interakce pyl/blizna - kompatibilita Hydratace Papilární buňky Klíčení na papilárních buňkách Růst vodícím pletivem Vodící pletivo Růst po povrchu septa Penetrace mikropyle Vajíčko

23 Blizna Papilární buňky Čnělka Jürgen Berger / Heiko Schoof - MPI P ř e n o s p y l u n a b l i z n u Christos Michaelidis, unpubl.

24 Aktivace a klíčení pylového zrna Christos Michaelidis, unpubl. Kalosové zátky Christos Michaelidis, unpubl.

25 Progamická fáze Fáze 1 Adheze Hydratace Aktivace Fáze 2 Klíčení Růst pylové láčky Fáze 3 Růst pylové láčky Vedení Christos Michaelidis, unpubl. Fáze 4 Růst pylové láčky Vedení Oplození Pylová láčka Progamická fáze Ca++ gradient; Rho GTPasy (RopGTPasy/RopGAPs) Aktinový cytoskelet SABs ve špičce (short F-actin bundles) Vesikulární Subapikální aktinový prstenec transport a export

26 (In)kompatibilita pylu a blizny Strategie rostlin k zabránění samoopylení Zabránění vlastnímu/kompatibilnímu pylu ve vyklíčení na blizně či zastavení růstu láčky Multialelický S-lokus Glykoprotein exprimovaný v pylu i v čnělce Gametofytická / Sporofytická Gametofytická/sporofytická inkompatibilita Lilkovité Mákovité Brukvovité

27 Vedení pylové láčky pestíkem (Guidance) Sporofytická fáze uvnitř vodících pletiv čnělky (ECM) bez vlivu samičího gametofytu Gametofytická fáze na povrchu pletiv placenty pod vlivem samičího gametofytu Vedení pylové láčky pestíkem (Guidance) Sporofytická fáze Komplexní systém stimulovaný kontaktem Kontrola adhesivity pylové láčky vůči buňkám čnělky Přesně definovaná dráha pro růst láčky Složky extracelulární matrix vodících pletiv čnělky SCA (stylar cysteine-rich adhesin) pektin Pylová láčka řada pylově specifických pektin-esteras

28 Vedení pylové láčky pestíkem (Guidance) Gametofytická fáze Komplexní proces - kontrola směru růstu láčky- zárodečný vak - aktivace láčky (Ca ++ /Rop/aktin) - odpuzení pomalejších láček Dvě složky - Funikulární signál delší dosah - Mikropylární signál kratší dosah Signál??? -Funikulární přímý difundující z vaječníku?x? nepřímý způsobující změny ECM - odpuzuje přebytečné láčky -Mikropylární nepochybně difundující signál; chemické složení??? -mutace magatama (maa) láčky nenajdou mikropyle Kandasamy etal., 1994 Higashiyama etal., 2003

29 Vedení pylové láčky pestíkem (Guidance) Gametofytická fáze Reprodukční orgány II Střídání generací u semenných rostlin Vývoj samčího gametofytu Mikrosporogeneze Mikrogametogeneze Genová exprese v haploidním systému Interakce sporofytu s gametofytem Přenos pylu na bliznu / opylení Progamická fáze Oplození Vývoj semene

30 Oplození Vniknutí láčky do zárodečného vaku - synergida - rozpad vegetativního jádra pyl. láčky - plazmogamie, karyogamie, syngamie Dvojité oplození I. spermatická b. + b. vaječná diploidní zygota embryo II. spermatická b. + diploidní jádro zralého zárodečného vaku Guignard 1899 triploidní endosperm

31 Oplození 1) Jak jsou samčí gamety dopraveny k místu určení?? Nejsou schopny samostatného pohybu Prokázána existence aktinových filament podél předpokládané dráhy pohybu 2) Fúzují spermatické buňky s buňkami zár. vaku náhodně?? Nejsou známé žádné molekuly podílející se na adhezi buněk Kukuřice pokusy podporují teorii selektivního oplození Arabidopsis - oplození in vitro spíše podporuje teorii náhodné fúze 3) Jak se rostliny brání polyspermii?? Neví se, zda existuje elektrický blok jako u živočichů Vedení láček pestíkem, fyzické problémy s průnikem buněčnou stěnou buněk ZV Blok polyspermie během několika minut po oplození Ani při oplození in vitro k polyspermii nedochází Reprodukční orgány II Střídání generací u semenných rostlin Vývoj samčího gametofytu Mikrosporogeneze Mikrogametogeneze Genová exprese v haploidním systému Interakce sporofytu s gametofytem Přenos pylu na bliznu / opylení Progamická fáze Oplození Vývoj semene

32 Embryogeneze / vývoj semene Vaječná buňka Centrální buňka Nucellus Vaječné obaly 2n embryo 3n endosperm 2n perisperm 2n testa Embryogeneze / vývoj semene Apomixie vznik semen bez oplození Apogamie embryo z buněk zár. vaku Partenogeneze embryo z 2n vaječné buňky

33 Embryogeneze Embryogeneze

34 Reprodukční orgány II Střídání generací u semenných rostlin Vývoj samčího gametofytu Mikrosporogeneze Mikrogametogeneze Interakce sporofytu s gametofytem Přenos pylu na bliznu / opylení Progamická fáze Oplození Vývoj semene