FYZIOLOGIE ROSTLIN Vývojová biologie I + II David Honys Katedra fyziologie rostlin PřF UK Fyziologie rostlin Vývojová biologie 1. Základní aspekty růstu a vývoje rostlin 2. Embryonální období 3. Vegetativní období 4. Generativní období 5. Nepohlavní rozmnožování 6. Senescence Amorphophallus titanum Pavlová, Fyziologie rostlin Ontogeneze sporofytu semenných rostlin ZÁKLADNÍ ASPEKTY RŮSTU A VÝVOJE ROSTLIN 1
Stavba mnohobuněčného těla Vznik a vývoj mnohobuněčnosti Stejný vývojový problém k řešení pro rostliny i živočichy Podobná genetika, biochemie i i buněčný aparát Divergence rostlin a živočichů před miliardou let ze společného jednobuněčného předka Pro koordinovaný vývoj nutná komunikace mezi buňkami Kontrola vývoje prostřednictvím komplexních genetických regulačních sítí Nezávislý vznik a následná evoluce mnohobuněčnosti Čím jsou určeny tak odlišné a specializované osudy různých buněk? www.anticancer.com Meyer (2002) Science Rozdílné uchopení problému v obou říších Růst a vývoj rostlin Zásadní rozdíly ve vývoji rostlin a živočichů Stavba rostlinného těla není předem určená Významný podíl nediferencovaných buněk Přítomnost buněčné stěny brání migraci buněk Buchanan (2000) BaMBoP Rostliny reagují na řadu signálů okolního prostředí Variabilita tvaru listů v závislosti na vlivech vnějšího prostředí Vodní rostlina Neobeckia aquatica Poziční určení buněčného osudu Absence buněčných linií Neukončený vývoj Amorphophallus titanum Neelima Sinha 2
Organizace mnohobuněčného rostlinného těla Fenomén buněčné stěny Základní rozdíly v dělení živočišných a rostlinných buněk Buňky ve skořápkách Buňky ohraničeny pevnou buněčnou stěnou Žádná migrace buněk Rozděl se a natáhni! www.molecularexpressions.com Morfogeneze je určena frekvencí a orientací buněčného dělení směrem buněčného růstu Nikoli migrací buněk!!! Orientace buněčného dělení, buněčné vrstvy a morfogeneze Wolpert (1998) Principles of Development Iniciace laterálních kořenů Přísná kontrola orientace buněčného dělení během morfogeneze Bowman (2001) Uvnitř orgánu Vně orgánu Primordia laterálních kořenů vznikají periklinálním dělením pericyklu Základní aspekt morfogeneze Kontrola roviny buněčného dělení ve vztahu v povrchu rostlinného těla Povrch orgánu 3
Postembryonální vývoj rostlin Veškerý postembryonální vývoj rostlin začíná v přesně definovaných oblastech buněčného dělení - meristémech Stáří rostlin, aneb jak dosáhnout věčného mládí? Kořenový apikální meristém Stonkový apikální meristém Založení všech hlavních orgánů Kořeny, stonek, listy, květy Primární meristémy založeny již v embryu Nediferencované kmenové buňky 4 844 let - Pinus longaeva (Bristlecone Pine), Wheeler Peak, Nevada, USA, Donald R. Currey (1964) 4 789 let - Methusela, Methusela Walk, California, USA E. Schulman, T. Harlan Lomatia tasmanica Kings Holy, (Proteaceae) nejstarší živý klon starý 43 600 let David Twell (2006) Regenerace rostlin z izolovaných somatických buněk Regenerace rostlin z izolovaných somatických buněk Wolpert (1998) Principles of Development Většina rostlinných buněk není terminálně diferencovaných Totipotence rostlinných buněk Minoritní role maternálních determinant u rostlin Wolpert (1998) Principles of Development Nejčastější způsob produkce transgenních rostlin 4
Mezibuněčná komunikace Životní cykly rostlin a živočichů Chemické signály Fytohormony (Auxin) www.ualr.edu /botany/ www.molecularexpressions.com Graham (2003) Rostliny Živočichové Fyzické propojení buněk Plasmodesmata Syncytium Diploidní organismus produkuje haploidní spory Spory dávají vznik gametofytu V gametofytu dochází k produkci gamet Gamety jsou tvořeny přímo diploidním organismem Modelové rostliny pro studium růstu a vývoje tabák Volvox huseníček Fucus mechy Gary Drews Samčí a samičí gametofyt www.mcb.ucdavis.edu rýže kapradiny www.luc.edu kukuřice rajče 5
Huseníček octomilka rostlinné vývojové biologie Snadné pěstování Minimální prostorové nároky Krátká generační doba (od semena k semeni 6-8 týdnů) Samosprašná, snadné křížení Diploidní genom projevy recesivních mutací Malý počet chromosomů (n = 5, 2n = 10) Velice malý genom - 120Mb Nízký podíl repetitivní DNA ~15 % Známá sekvence celého genomu Jednoduchá transformace Snadná mutageneze a genetické mapování Dormancy Wolpert (1998) Principles of Development Sekvence genomu huseníčku je známá a plně anotovaná www.arabidopsis.org www.tigr.org 120 MBp 5 chromosomů 31 000 genů Základní aspekty růstu a vývoje rostlin Růst a vývoj rostlin, morfogeneze Kontrola buněčného dělení Rovina buněčného dělení Intenzita a směr buněčného růstu EMBRYOGENEZE Veškerý postembryonální vývoj závisí na aktivitě meristémů a v nich přítomných nedifrencovaných kmenových buněk Zásadní význam mezibuněčné komunikace Chemické signály fytohormony Propojení buněk plasmodesmaty 6
Oplození Embryogeneze / vývoj semene Dvojité oplození: plazmogamie + karyogamie = syngamie Vajíčko Vaječná buňka Centrální buňka Nucellus Vaječné obaly Semeno 2n embryo 3n endosperm 2n perisperm 2n testa Struktura semene Ustanovení stavebního plánu budoucího rostlinného těla záhy po oplození Vývoj uspořádanosti (Pattern formation) Vývojový proces, při kterém jsou buňky a pletiva uspořádány do správného tvaru a komplexní struktury rostlinného těla na základě příslušného stavebního plánu Buněčné dělení Buněčný růst Morfogeneze Poziční určení buněčného osudu www.botany.org/plantimages/ 7
Oplozené vajíčko huseníčku Dvojité oplození semenných rostlin Výrazná polarizace zygoty Apikální konec hustá cytoplasma Embryo Deriváty apikální a bazální buňky Bazální konec centrální vakuola Suspenzor Taiz, Zaiger (2003) Plant Physiology Embryo huseníčku První zygotické dělení je kolmé k budoucí podélné ose embrya Výrazně asymetrické buněčné dělení ustaví směr osy Dvě buňky základem buněčných linií s velmi odlišnými osudy Wolpert (1998) Principles of Development Vývoj embrya huseníčku Embryo vysoce polarizovaná struktura Dva typy polarity v embryích (podle podélné osy souměrnosti) Axiální (apikálně ě bazální) polarita Radiální polarita Během embryogeneze jsou založeny hlavní rysy rostlinného těla Axiální polarita Založena již v zygotě Přímý vznik pletiv a orgánů dospělého těla Formování primárních meristémů aktivace až po vyklíčení Úloha auxinu v časné embryogenezi David Twell (2006) Wolpert (1998) Principles of Development Huseníček - periklinální dělení již v oktetovém stádiu Základní aspekt morfogeneze Kontrola směru buněčného dělení ve vztahu v povrchu rostlinného těla Radiální polarita stonku a kořene 8
Vývoj embrya huseníčku Nejranější období vzniku uspořádanosti (pattern formation) huseníčku Apikální pól Apikální linie Radiální symetrie Bazální linie Bilaterální symetrie Elongace Vznik protomeristémů velice záhy po oplození Wolpert (1998) Principles of Development Dvojbuněčné Zygota Dvě buňky proembryo Oktet Bazální pól Přesně definovaný sled buněčných dělení David Twell (2006) wt Základní metodický přístup: studium mutací SIGNAL? Přechod z oktetového do dermatogenového stadia Základ budoucích vrstev pletiv protoderm epidermis Yoda (yda) Stimulace bazálního (extraembryonického, suspensorového) buněčného osudu (buněčné linie, vývojové dráhy, genetického programu) Represe apikálního (proembryonálního) buněčného osudu wt yoda yoda Narušení elongace zygoty wt Lukowitz (2004) Cell MAPKKK MAPKK MAPK BASAL CELL FATE Osm buněk Šestnáct buněk Změna orientace buněčného dělení základní pletiva (kůra) vodivá pletiva David Twell (2006) 9
Dermatogenové stadium bazální buněčná linie Základ kořenového apikálního meristému Apikálně-bazální organizace embrya a semenáčku Hypofýza Iniciála klidového centra Iniciála kořenové čepičky Šestnáct buněk Rané globulární embryo David Twell (2006) Naprostá většina rostlinného těla je produktem apikální buňky Hypofýza - derivát bazální buňky kolumela a klidové centrum Srdčité stádium: tři oblasti Apikální oblast dělohy a apikální meristém Střední oblast hypokotyl, kořen, většina kořenového meristému Hypofýza zbytek kořenového meristému Radiální organizace embrya a semenáčku Kořenový apikální meristém epidermis primární kůra endodermis Jeho deriváty - klony buněk, které pak dávají vzniknout jednotlivým pletivům stélé Globulární až srdčité stádium: tři oblasti Protoderm epidermis Základní meristém kortex, endodermis (kořen a hypokotyl) Prokambium vodivá pletiva, pericykl (kořen) www.plantsci.cam.ac.uk/haseloff/ Specifická a přesně regulovaná aktivita genů v kořenové špičce 10
Homeotická mutace agamous Správná organizace embrya vyžaduje specifickou a precizně regulovanou genovou expresi Základní metodický přístup podruhé: studium mutací časná exprese výhradně v oblasti budoucího apikálního meristému shoot meristemless blok formování apikálního meristému Třídy embryonálních mutantů Relativní nezávislost regulace vývoje tří oblastí embryonálního těla Gurke (gk) Kontrola axiální polarity Fäckel (fk) Wolpert (1998) Principles of Development Základní metodický přístup: studium mutací časná exprese výhradně v oblasti budoucího apikálního meristému Kontrola axiální polarity Dramatický fenotyp: úplná absence děloh Abnormální buněčná dělení již v raném srdčitém embryu Kontrola axiální polarity Dramatický fenotyp: absence hypokotylu, redukce kořenů, zmnožení meristémů NENÍ transkripční faktor! Sterol C14 reduktasa, syntéza brasinosteroidů shoot meristemless blok formování apikálního meristému Torres-Ruiz (1996) Plant J. Schrick (2000) Genes Dev. 11
gnom Kontrola axiální polarity Kontrola axiální polarity Projevy již při asymetrickém dělení zygoty Dramatický fenotyp: sférický tvar a úplná absence apikálně-bazální polarity monopteros (mp) Embryo: formování primárního kořene Postembryonální období: vývoj vodivých pletiv Projevy od osmibuněčného stadia Fenotyp Semenáčky: absence hypokotylu a kořínku Dospělost: chybějící či abnormální vodivá pletiva, adventivní kořeny Kontrola axiální i radiální polarity Fenotyp Dezorganizace orientace buněčného dělení Zachování určité míry axiální polarity Variabilita počtu děloh Narušení vývoje vodivých pletiv Projevy již při asymetrickém dělení zygoty Torres-Ruiz (1994) Development fass (fs) knolle (kn) Syntaxin vezikulární transport www.sfu.ca Fenotyp Dezorganizace frekvence a orientace buněčného dělení Narušení radiální organizace pletiv Lukowitz (1996) Cell hobbit (hbt) Kontrola vývoje (proto)meristémů Projev již ve dvou- až čtyřbuněčném stádiu, při dělení prekurzoru hypofýzy Fenotyp Absence hypofýzy, kořenový meristém postrádá klidové centrum a kolumelu Projev před dosažením torpédovitého stádia shootmeristemless (stm) Fenotyp Diferenciace buněk v oblasti apikálního meristému VEGETATIVNÍ FÁZE VÝVOJE Supresor buněčné diferenciace; marker buněk apikálního meristému Willemsen (1998) Development Lenhart (2002) Development 12
Postembryonální vývoj rostlin Primární meristémy založeny již v embryu Vznik primárních pletiv a orgánů tvořících primární rostlinné tělo Modulární stavba rostlinného těla K vývoji většiny orgánů rostlinného těla dochází v postembryonálním období Funkční paralely mezi fytomerami a segmenty živočišného těla Zakládání listů a osy symetrie nadzemních částí rostliny Aktivita primárních a sekundárních meristémů Felogen, kambium Dělení meristémů dle polohy: vrcholový (apikální) interkalární (vmezeřený) axilární (v paždí listů) okrajový (marginální) Meristémy Populace malých isodiametrických buněk Věčné trvání embryonálního charakteru meristému Část buněk nenastoupí cestu diferenciace, ale zachovává si dělivou schopnost po celou dobu existence vegetativního meristému Primární apikální meristémy Kmenové buňky Nediferencované buňky; dříve zvány iniciály Po rozdělení si jedna dceřinná buňka zachová charakter buňky kmenové a druhá nastoupí diferenciační dráhu 13
Primární apikální meristémy Stonkový apikální meristém Stonkový apikální meristém Obvykle x00 1000 Buněk Huseníček 60 buněk Kořenový apikální meristém Průměr 100 300 µm Malé tenkostěnné buňky s hustou cytoplasmou postrádající velkou centrální vakuolu Vysoce dynamická struktura Iniciace stonku i laterálních orgánů Často sezónní aktivita Jsou meristémy jedlé? Tunika Korpus Organizace apikálního meristému květák ap1cal double mutant Tři distinktní buněčné vrstvy L1, L2 a L3 Cytohistologické zóny Bowman (2001) Centrální mateřské buňky vznik nových buněk Periferní meristém vznik listů a květů huseníček Žebrový meristém dělí se a tlačí meristém nahoru 14
Zviditelnění symplastických oblastí SAM Oblasti meristémů tvoří symplast Apikální meristém dvouděložné rostliny 5 s (rychlý symplastický pohyb barvičky) 15 s (jasně viditelné hranice symplastu) Fluorescentní ní barvička Lucifer Yellow CH 30 min (stabilní oblast odpovídající příslušné zóně) Development 125, 1477-85 (1998) huseníček M = meristém; L = listová primordia Wolpert (1998) Principles of Development Apikální meristém jednoděložné rostliny Apikální meristém peripheral zone central zone kukuřice SAM = meristém; P/L = listová primordia http://maize-meristems.plantgenomics.iastate.edu Nediferencované kmenové buňky se dělí pomaleji Wolpert (1998) Principles of Development 15
Poziční určení buněčného osudu Regulace vývoje meristémů Wolpert (1998) Principles of Development L1 epidermis; L2 a L3 kůra a vodivá pletiva Většinou antiklinální dělení (kolmé k povrchu) Periklinální dělení přechod buněk z vrstvy L1 do L2 či naopak Wolpert (1998) Principles of Development Odsunuté buňky přijmou buněčný osud svých sousedů Organizace apikálního meristému je dána specifickou genovou expresí Signální a regulační dráha Clavata Clavata1 (CLV1) Receptorová kinasa integrální membránová bílkovina s receptorovou (vně) a kinasovou katalytickou doménou (uvnitř) Bowman (2001) Wolpert (2007) Principles of Development Waites and Simon (2000) Cell 103:835 Clavata2 (CLV2) Částečný homolog CLV1 Receptorová doména a transmembránová podobná CLV1 Kinasová doména chybí Clavata 3 (CLV3) Ligand receptorové kinasy CLV1/CLV2 16
Gradient distribuce transkripčních faktorů Fasciace ztráta kontroly velikosti meristémů Analogie regulace vývoje syncytiálního blastodermu octomilek Gradient distribuce transport plasmodesmy LEAFY mrna Transportovány nejen bílkoviny, ale i příslušné regulační RNA protein Fylotaxe Fylotaxe Uspořádání listů na stonku Uspořádání listů na stonku Wolpert (1998) Principles of Development Pravidla určující rozmístění listů Wolpert (1998) Principles of Development Pravidla určující rozmístění listů Taiz, Zaiger (2003) Plant Physiology Wolpert (2007) Principles of Development 17
Vývoj kořene Souvisí s čísly Fibonacciho či Lucasovy posloupnosti: Genetická spirála Fylotaxe Nový list se vmezeří mezi dva poslední a rozdělí úhel, který svírají, ve zlatém poměru 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377 610 987 1597 2584 2 1 3 4 7 11 18 29 47 76 123 199 322 521 843 1364 2207 Funkce (evoluční tlaky) Růst zeminou Absorpce vody a minerálních látek v kapilárách á mezi částicemi i zeminy Důsledky Optimalizace tvaru Absence laterálních orgánů tvořených apikálním meristémem Větvení v oblasti, která již aktivně neroste Zvýšení absorpční plochy přítomností kořenových vlásků Čtyři vývojové zóny Čtyři vývojové zóny Meristematická zóna Huseníček délka 0,25 mm Vznik jediného orgánu primárního kořene Diferenciační/maturační zóna Dokončení buněčné diferenciace Radiální charakter kořenových pletiv Klidové centrum Elongační zóna Kořenová čepička Ochrana apikálního meristému při růstu Gravitropismus Sekrece mukopolysacharidů Rychlý dlouživý růst buněk Významný pokles dělivé aktivity buněk se vzdáleností od meristému Začátek diferenciace buněk Počátek vodivých pletiv Taiz, Zaiger (2003) Plant Physiology Taiz, Zaiger (2003) Plant Physiology 18
Kořenový apikální meristém epidermis Kořenový apikální meristém Klidové centrum Záloha meristematických buněk Ochrana před účinky ionizuijícího záření Vzácná periklinální dělení u špičky Většinou antiklinální dělení řady klonů jedné kmenové buňky primární kůra endodermis Jeho deriváty - klony buněk, které pak dávají vzniknout jednotlivým pletivům Taiz, Zaiger (2003) Plant Physiology stélé www.plantsci.cam.ac.uk/haseloff/ Specifická a přesně regulovaná aktivita genů v kořenové špičce Kapradiny (Azolla) jediná kmenová buňka Semenné rostliny (huseníček) několik kmenových buněk s konkrétní úlohou Zakládání postranních kořenů Pericykl zralého kořene Založení sekundárního meristému Růst skrz primární kůru a epidermis Zakládání postranních kořenů Zpočátku zejména antiklinální dělení Od stadia 6 všechna pletiva stejně jako v primárním kořeni a radiální charakter postranních kořenů Taiz, Zaiger (2003) Plant Physiology 19
Zakládání postranních kořenů Zakládání postranních kořenů Pericykl David Twell (2006) www.biology.ualberta.ca Buchanan (2000) BaMBoP Rostliny reagují na řadu signálů okolního prostředí Variabilita tvaru listů v závislosti na vlivech vnějšího prostředí Ovlivnění růstu a vývoje rostlin světlem Tři základní charakteristiky světla: Doba osvitu Kvantita Kvalita Vodní rostlina Neobeckia aquatica Barevné složení bílého světla V I B G Y Ö R Neelima Sinha 20
Fotoperiodismus - fytochrom R (red) 660 nm Dvě formy fytochromu Detekce R a FR světla FR (far-red) 730 nm P r - forma absorbující R světlo (660 nm) P r P fr - forma absorbující FR světlo (730 nm) P fr Informace o okolním světě tři základní otázky Semeno: Kde to jsem? Jsem aspoň na světle? Jsem sama nebo jsou kolem mě či nade mnou rostliny? Není náhodou čas na kvetení? Vratný přechod P r P fr Klíčení semen Mám sousedy? Červené světlo proniká k semeni Semeno klíčí K hluboko uloženému semeni neproniká žádné sluneční světlo Semeno neklíčí Červené světlo => blízkost povrchu Proč je to důležité? Omezené množství zásobních látek Semeno musí dorůst na světlo před vyčerpáním zásob Malá semena často potřebují k vyklíčení světlo Klíční rostlinky se na povrchu rovnají a otvírají listy Proč je to důležité? Sousední rostliny představují ohrožení Mohou růst výše a stínit Řešení Růst přinejmenším do stejné výšky jako sousední rostliny Potřeba vědět, že mám sousedy Isolované rostliny většinou bývají kratší než rostliny v hustém porostu Vliv i dalších faktorů R světlo je absorbované sousedními rostlinami FR světlo se od sousedních rostlin odráží Obohacení světla FR složkou => rostlina má sousedy 21
Rostu pod jinými rostlinami? Je ta pravá doba k vykvetení? Proč je to důležité? Rozdílné optimální strategie růstu zastíněných a osvětlených rostlin Nutno rozlišit, zda je rostlina zastíněná okolními rostlinami nebo je jen zataženo nabo je podvečer R světlo je pohlcené sousedními rostlinami FR světlo se od sousedních rostlin odráží nebo jimi proniká Nespolehlivé indikátory Teplota Vzdušná vlhkost Celková úroveň osvětlení Spolehlivé indikátory Délka dne a noci Mění se s ročním obdobím Mění se se zeměpisnou ě šířkou Receptorem fytochrom Světlo bohacené FR => Jsou tam! Distribuce fytochromu v etiolované klíční rostlince hrachu Dlouhý den = krátká noc Dlouhodenní rostliny Potřebují krátkou noc Potřebují přítomnost P fr za úsvitu P fr stimuluje kvetení krátkodenních rostlin v podmínkách dlouhého dne Krátký den = dlouhá noc Krátkodenní rostliny Potřebují dlouhou noc (kritická délka noci) Potřebují absenci P fr za úsvitu P fr inhibuje kvetení krátkodenních rostlinv podmínkách dlouhého dne 22
Dlouhý den = krátká noc LDP SDP Dlouhodenní rostliny Potřebují krátkou noc Potřebují přítomnost P fr za úsvitu P fr stimuluje kvetení krátkodenních rostlin v podmínkách dlouhého dne Dlouhý den: P fr na konci krátké noci přetrvává P fr stimuluje kvetení dlouhodenních rostlin P fr inhibuje kvetení krátkodenních rostlin Krátký den = dlouhá noc Krátkodenní rostliny Potřebují dlouhou noc (kritická délka noci) Potřebují absenci P fr za úsvitu P fr inhibuje kvetení krátkodenních rostlinv podmínkách dlouhého dne Krátký den: P fr na konci dlouhé noci chybí Chybějící P fr nestimuluje kvetení dlouhodenních rostlin Chybějící P fr neinhibuje kvetení krátkodenních rostlin Čekání na správný čas vegetativní růst až do doby vhodné k založení květů Dlouhodenní rostliny (LDPs) čekají na dostatečně dlouhý den Ve skutečnosti čekají na dostatečně krátkou noc FYZIOLOGIE ROSTLIN Krátkodenní rostliny (SDPs) čekají na dostatečně krátký den Ve skutečnosti čekají na dostatečně dlouhou noc Neutrální rostliny Kvetou, když dostatečně dozrají Nezáleží na délce dne / noci Snad jiné signály okolí? Vývojová biologie I + II David Honys Katedra fyziologie rostlin PřF UK 23
Pavlová, Fyziologie rostlin GENERATIVNÍ FÁZE VÝVOJE Ontogeneze sporofytu semenných rostlin Životní cykly rostlin a živočichů Životní cykly rostlin a živočichů Diploidně dominantní Haploidně dominantní 24
Střídání generací Životní cyklus mechorostů Aautotrofní dlouhožijící gametofyt a na něm závislý heterotrofní sporofyt Životní cyklus mechorostů Životní cyklus (kryto)semenných rostlin 25
Tajemství (rostlinného) sexu: mechy Gary Drews Samčí a samičí gametofyt www.mcb.ucdavis.edu Huseníček thalův kapradiny www.luc.edu David Twell (2006) Oboupohlavný květ krytosemenných rostlin čnělka Úplný květ blizna Jednopohlavné květy Neúplný květ tyčinky Jeden nebo více květních orgánů chybí Všechny čtyři květní orgány korunní lístky (petala) kališní lístky (sepala) Graham (2003) kukuřice 26
Přechod do generativní fáze Transformace stonkového apikálního meristému v meristém květní 1 metr 11 kg Rafflesia arnoldii Přechod do generativní fáze Získání kompetence ke kvetení (multifaktoriální proces) Působení vnějších i vnitřních faktorů Fotoperiodismus (FLOWERING LOCUS T (FT) - florigen?) Fytochromy (5 genů ů u Arabidopsis) i Gibereliny, cytokininy, sacharoza, polyaminy Genetická kontrola iniciace a dalšího vývoje květu Postupná aktivita skupin regulačních genů Úloha homeotických genů Květní reverze (zvegetativnění) Vznik sekundárních vegetativních meristémů v květech Genetická dispozice Druhově specifická vývojová fáze, kdy ještě může k reverzi dojít (extrém ze základů vajíčka, Impatiens balsamina) Impatiens balsamina huseníček Přechod do generativní fáze Stonkový apikální meristém je přeměněn v intremediátní meristém (inflorescence meristem), který vytvoří základ květenství Intremediátní meristém přechodné stádium mezi vegetativní na generativní fází EMBRYONIC FLOWER (EMF) emf -přeměna embryonálního stonkového apikálního meristému přímo ve florální Intremediátní meristém dá vzniknout květním meristémům (floral meristem) Wolpert (1998) Principles of Development 1) Geny iniciace a identity květního meristému Prvotní indukce genů orgánové identity EMBRYONIC FLOWER (EMF), TERMINAL FLOWER (TFL), LEAFY (LFY), APETALA2 (AP2) 2) Katastrální geny Prostorová organizace genů orgánové identity SUPERMAN (SUP), UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO), FLOWER ORGAN NUMBER (FON) 3) Geny identity květních orgánů Kontrola tvorby a funkce květních orgánů APETALA1 (AP1), APETALA3 (AP3), AGAMOUS (AG), PISTILLATA (PI) www.plantbio.berkeley.edu EMF blok přechodu do generativní fáze, konec exprese se získáním kompetence ke kvetení EMF emf absence vegetativní fáze TFL1 geny identity květního meristému 27
TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) Heterochromatinový protein Indukce kvetení Exprese pod apikální doménou primárního stonkového apikálního meristému LEAFY (LFY) Dominantní regulátor/udržovatel identity květního meristému lfy -místo květů listovité výhony 35S::LFY místo sek. výhonů květy EMF TFL1 geny identity květního meristému LFY katastrální geny tfl1 jen terminální květ, absence či redukce květenství lfy stop iniciace květních meristémů wt 35S::LFY Aktivita genů květní indukce ve vrcholových meristémech Katastrální geny vymezení hranic domén exprese dalších regulačních genů UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO) Specifická exprese AP3 ve 3. kruhu (tvorba tyčinek) Blok transkripce AP3 a označení příslušné bílkoviny k degradaci mimo vymezenou oblast SUPERMAN (SUP) Vymezení hranice mezi kruhy 3 a 4 Brání expresi genů třídy B (AP3 a PI) v kruhu 4 Wild type superman tyčinky na místě pestíku FLOWER ORGAN NUMBER (FON) Počet orgánů v jednotlivých kruzích (zde tyčinky a plodolisty) 28
Květní diagram a čtyři kruhy květních orgánů a zase v hlavní roli mutace Čtyři kruhy buněk v květním meristému Čtyři kruhy květních orgánů Wolpert (1998) Principles of Development Exprese homeotických genů ve třech překrývajících se doménách Ve správnou dobu na správném místě apetala2 apetala3/pistillata agamous AGAMOUS Vivian Irish APETALA3 29
Regulace vývoje květních orgánů Nové, komplikovanější modely Interakce MADS box proteinů a orgánová identita Čtyřnásobný mutant (ap1,ap2,ap3/pi,ag) Johann Wolfgang Goethe (1749-1832): Květní orgány představují vysoce modifikované listy KVARTETOVÝ MODEL Theissen (2001) Curr Opin Plant Biol Regulace vývoje květních orgánů Arabidopsis thaliana Životní cyklus (kryto)semenných rostlin Petunia hybrida Espinosa-Soto (2004) Plant Cell 30
Megasporogeneze a megagametogeneze Vybrané fáze vývoje vajíčka huseníčku 1-II 2-II 3-IV 2-III 4-IV Megasporocyt Zárodečný vak Stádium čtyř megaspor Sieber (2004) Dev Biol Správný průběh megagametogeneze vyžaduje specifickou a precizně regulovanou genovou expresi Typy megasporogeneze a megagametogeneze WUSCHEL (WUS) PHABULOSA (PHB) INNER NO OUTER (INO) Sieber (2004) Dev Biol 31
Životní cyklus (kryto)semenných rostlin 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 Mikrosporogeneze Mechanismy regulace počátků gametofytické vývojové cesty????????????? SPOROCYTELESS Transkripční faktory TETRASPORE 32
Mikrosporogeneze Meiosa Oddělená karyokineze a cytokineze Simultánní (tabák) Vývoj samčího gemetofytu - tetrády Následná (lilie) Profáze Metafáze Dvojbuněčný/trojbuněčný pyl II. pylová mitosa Huseníček thalův PMII po vyklíčení v rostoucí láčce PMII ve zrajícím pylu Anafáze Telofáze Anjusha Durbarry (2002) Tabák Řepka 33
Tapetum Interakce gametofytu se sporofytem Vrstva buněk obklopující prašné pouzdro Dočasná přítomnost zejména během vývoje mikrospor Programovaná buněčná smrt Koordinovaná exprese genů v tapetu a v pylu 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 Buněčná stěna pylového zrna Zcela unikátní struktura a chemické složení Syntéza společným působením sporofytu a gametofytu Proměnlivé složení v různých obdobích fenomén kalosy Kalosa β-1,3-glukan Syntéza: β-1,3-glukan synthasa (kalosa synthasa) Degradace: β-1,3-glukanasa 13 lk (kalasa) Výskyt: Exine Intine Sexine Nexine Tectum Baculum Lumina Nexine I Nexine II Pektiny Sporopolenin Pollenkitt / pollen coat 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 34
Mutace ve formování stěny Huseníček thalův WIP316 WIP117 kaktus WT WIP277 WIP278 Slunečnice Mučenka 35
Přenos pylu na bliznu / opylení Samosprašnost / cizosprašnost (Autogamie / alogamie) Kleistogamie Snížení možnosti autogamie Větrosprašnost (anemofilie) Hmyzosprašnost (entomofilie) zoofilie hydrofilie Progamická fáze Papilární buňky Vodící pletivo Interakce pyl/blizna - kompatibilita Hydratace Klíčení na papilárních buňkách Růst vodícím pletivem Růst po povrchu septa Heterostylie Dichogamie Proterogynie x protandrie Vajíčko Penetrace mikropyle Blizna Progamická fáze Fáze 1 Adheze Hydratace Aktivace Papilární buňky Fáze 2 Klíčení Růst pylové láčky Fáze 3 Růst pylové láčky Vd Vedení Jürgen Berger / Heiko Schoof Čnělka Christos Michaelidis (2002) Fáze 4 Růst pylové láčky Vedení Oplození Pylová láčka 36
Vedení pylové láčky pestíkem (Guidance) Vedení pylové láčky pestíkem (Guidance) Gametofytická fáze Sporofytická fáze uvnitř vodících pletiv čnělky (ECM) bez vlivu samičího gametofytu Komplexní proces - kontrola směru růstu láčky- zárodečný vak - aktivace láčky (Ca ++ /Rop/aktin) - odpuzení pomalejších láček Gametofytická fáze na povrchu pletiv placenty pod vlivem samičího gametofytu 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 Vedení pylové láčky pestíkem (Guidance) Gametofytická fáze Kandasamy (1994) Higashiyama (2003) 37
Dvojité oplození / vývoj semene Od vajíčka k semeni Vajíčko Semeno Vaječná buňka 2n embryo Centrální buňka 3n endosperm Nucellus 2n perisperm Vaječné obaly 2n osemení (testa) Semeno Semena dvouděložných a jednoděložných rostlin Ochrana a výživa embrya Fazole Pšenice Dělohy Zásobárna živin pro první fáze růstu po vyklíčení Epikotyl Stonek nad dělohami Hypokotyl Stonek pod dělohami Radikula Báze hypokotylu, na špičce kořenový apikální meristém 38
Semena dvouděložných a jednoděložných rostlin Plody Deriváty semeníků Plody dužnaté a suché Lodoicea maldivica Stejně charakteristické pro jednotlivé druhy jako květy Vývoj plodů oplodí (perikarp) Dužnaté plody Peckovice Broskev, oliva, kokosový ořech Exokarp Pokožka Mesokarp Dužnaté oplodí Bobule Rajče Okurka Okurka, dýně Endokarp Nejvnitřnější vrstva oplodí Hesperidium Pomeranč, grapefruit, citrón 39
Oříšek Vlašský ořech, lískový oříšek Suché plody NEPOHLAVNÍ ROZMNOŽOVÁNÍ Lusk Hrách, fazole, sója, arašídy Obilka Pšenice, žito, ječmen Míšek Klejicha hedvábná Pohlavní a nepohlavní rozmnožování rostlin Regenerace rostlin z izolovaných somatických buněk Mnoho rostlin používá oba způsoby to nejlepší z obou světů (???) Formy nepohlavního rozmnožování rostlin Vegetativní rozmnožování Vysoký podíl přeživšího potomstva Minimální vliv na rozšiřování areálu Agamospermie či partenogeneze Podíl přeživšího potomstva podobný jako při pohlavním rozmnožování Přežívání nevhodných podmínek a potenciální vliv na rozšiřování areálu Wolpert (1998) Principles of Development Většina rostlinných buněk není terminálně diferencovaných Totipotence rostlinných buněk Minoritní role maternálních determinant u rostlin 40
Vegetativní rozmnožování Odnože Prýty trav, které raší z podzemních stonků a kořenů Šlahouny Nadzemní stonky, které raší v nodech Hřížení Větve, které zakořeňují, když jsou v kontaktu se zemí Cibule, hlízy, hlízky Podzemní zásobní struktury, které mohou dát vzniknout novým prýtům Strategie odnožování Guerilová strategie Větší rozptyl propagulí v naději na nalezení vzdálenějších vhodných lokalit Nepohlavní semena, cibulky, šlahouny Oddenky (rhizomy) Podzemní stonky, které rostou horizontálně a produkují nové prýty Falangová strategie Malý rozptyl propagulí z důvodu zabránění růstu jiných jedinců z blízkého okolí Odnože, hlízy, kratší oddenky Agamospermie / apomixie Mechanismy agamospermie Produkce fertilních semen bez oplození Nejméně 400 apomiktických druhů (Rosaceae, Asteraceae, Poaceae) Pravděpodobně podhodnocený odhad Často jev asociovaný s polyploidií Sporofytická apomixie Vznik embryí z buněk sporofytu Gametofytická apomixie Chybí meiosa 2n zárodečný vak Obtížná detekce, vznik endospermu může vyžadovat opylení či dokonce splynutí alespoň jednoho spermatického jádra s vajíčkem (pseudogamie) Pseudogamie Potřeba opylení či dokonce oplození endospermu, ale embryo je produktem sporofytu mateřské rostliny 41
Senescence SENESCENCE Období stárnutí Programové odbourávání buněčných struktur na dále použitelné metabolity Celá rostlina nebo její část Jedna z forem programované buněčné smrti (PCD) Senescence Přirozená senescence Přirozená senescence - často forma adaptace na sezónní změny klimatu Senescence indukovaná stresem Monokarpické druhy Kvetou a plodí jen jednou a pak odumírají nedostatek hořčíku bambus Agave americana 42
Přirozená senescence Polykarpické dřeviny Kvetou a plodí opakovaně Přirozená senescence Polykarpické dřeviny Jedle Břečťan Smrk 4 13 let 3 14 let 6 let 28 měsíců Lípa srdčitá 1000 let Eucalyptus regnans 2 000-4 000 let Sequoia sempervirens 2 3 roky Borovice Vavřín Stálezelené Přirozená senescence Formy reakce na různé typy stresu Nedostatek minerálních látek Napadení patogeny Cukrová řepa www.rothamsted.ac.uk Jetel luční 5 let -Mn -Fe -N Virus řepné mozaiky (BtMV) Polykarpické byliny Jetel plazivý 8 let Štírovník růžkatý Více než 10 let -B -Mg -P Virus řepné chlorózy (BChV) 43
Stárnutí jako korelační jev Fyziologické a biochemické změny v průběhu senescence Precizně kontrolovaný proces Genová exprese Obecný pokles, ale zejména v počátku specifická aktivace řady genů Lusky nebyly odstraňovány Lusky byly odstraňovány Řízení průběhu senescence Zabránění přesunu živin do květů, semen či plodů může oddálit senescenci Chlorofylasa Mg-dechelatasa Fosfolipasa D β-galaktozidasa Isocitrátlyasa Malátsynthasa PEP karboxykinasa Aktivace katabolických procesů Enzymy degradace nukleových kyselin Senescence listu Snížení rychlosti fotosyntézy a zvýšení respirace Opad listů Odlučovací vrstva Produkce ethylenu ukládání suberinu Narušení buněčné stěny celulázami a pektinázami Ztráta chlorofylu žloutnutí listů Chloroplast Rozpad pigmentových komplexů Odbourávání chlorofylu Rozpad fotosystémů Narušení membrán Štěpení lipidů a proteinů Degradace nukleových kyselin Zkrácení doby osvitu pokles produkce auxinu Gerontoplast Ztráta turgoru Vznik odlučovací vrstvy Pletiva stonku Odlučovací vrstva 44
Opad květů a plodů Programovaná buněčná smrt Geneticky regulovaný jev buněčné sebevraždy jako odpovědi na vývojové či environmentální signály Poprvé se mohla vyvinout již u jednobuněčných organismů jako forma obrany U mnohobuněčných organismů důležitá pro zachování homeostáze, při morfogenezi a obraně Programovaná buněčná smrt u rostlin Programovaná buněčná smrt u rostlin Degenerace solných žláz Senescence listů Megasporogeneze Puknutí zralého prašníku Degenerace článků cév v xylému Degenerace tapeta PCD buněk kořenové čepičky Degenerace papilárních buněk po opylení PCD po napadení patogenem hypersenzitivní odpověď Tvar listů Degenerace suspenzoru Vývoj pylu nahosemenných rostlin Degenerace základů květních orgánů při zakládání jednopohlavných květů 45
Degenerace základů květních orgánů při zakládání jednopohlavných květů Degenerace základů květních orgánů při zakládání jednopohlavných květů kukuřice kukuřice Calderon-Urrea (1999) Development FYZIOLOGIE ROSTLIN Vývojová biologie I + II David Honys Katedra fyziologie rostlin PřF UK 46