Meristémy Definice a klasifikace Vegetativní meristémy Klasifikace pletiv podle původu: (Nägeli 1858) pletiva dělivá (meristémy) • parenchym (buňky izodiametrické, protáhlé, destičkovité) nebo prosenchym (buňky protáhlé na koncích zašpičatělé) • buňky malých rozměrů s velkým jádrem, tenkou buněčnou stěnou a s hustou cytoplazmou • bez intercelulár difúzní (v rané fázi vývoje celá rostlinná embrya = protomeristém – iniciály apikálních meristémů, dává vznik 3 primárním meristémům) lokální (jen malá část pletiv, specifická poloha v rostlině) primární meristém - [dermatogen, periblem, plerom] protoderm, základní meristém, prokambium sekundární meristém – dediferenciace buněk trvalých pletiv (kambium, felogen) latentní meristém – přetrvávající meristém (pericykl/perikambium) 1. dělivá 2. trvalá Klasifikace vegetativních meristémů podle polohy • apikální meristém (vzrostný vrchol stonku) • subapikální meristém (vzrostný vrchol kořene) • laterální meristém (kambium, felogen) • interkalární meristém (meristém kořenové čepičky, báze listů, kolénka trav, přesličky) Definice meristému dělivé pletivo - v raném vývoji embrya se dělí všechny buňky později je dělení buněk omezeno pouze na malé oblasti, ve kterých si buňky zachovávají embryogenní charakter a schopnost dělení (apikální meristémy = primární meristémy) apikální meristémy začínají svou aktivitu po ukončení embryonálního vývoje jejich činností vznikají nové buňky, které po diferenciaci vytvářejí rostlinné tělo sekundární meristémy – kambium (produkce sekundárního xylému a floému) a felogén (tvorba sekundárních krycích pletiv) Primární meristémy – založeny již v embryu starší torpédovité embryo zralé embryo http://botit.botany.wisc.edu SAM RAM embryonální osa = hypokotyl dělohy Charakteristika meristematických buněk • malé, izodiametrální buňky • tenká buněčná stěna • velké jádro (jádro-plasmový poměr) • velká hustota protoplastu – malé vakuoly Primární apikální meristémy Princip zachování embryonálního charakteru meristému: část buněk nenastoupí cestu diferenciace, ale zachovává si dělivou schopnost po celou dobu existence vegetativního meristému kmenové buňky (stem cells) = nediferencované buňky; dříve iniciály Po rozdělení si jedna dceřiná buňka zachová charakter buňky kmenové a druhá nastoupí diferenciační dráhu 3 základní typy SAM • jedna apikální buňka = nejprimitivnější – řasy, Equisetum • cyto-histologická zonace - Pinus, Ginkgo – povrchové apikální iniciály – centrální mateřské buňky – přechodná zóna – žebrový meristém • tunika-korpus - u všech krytosemenných a nejpokročilejších nahosemenných rostlin - četné apikální iniciály ve vrstvách jedna nebo více vrstev povrchových iniciál = tunika (antiklinální dělení buněk), korpus = spodní vrstvy meristému (antiklinální i periklinální dělení buněk) Jednobuněčné apikální meristémy jedna iniciála stonkový apikální meristém Equisetum meristém červené řasy tvořený jedinou apikální buňkou (AC). www.els.net SAM Ginkgo cyto-histologická zonace apikálního meristému Stonkový apikální meristém tunika: vnější vrstva(y), buňky se dělí antiklinálně korpus: vnitřní vrstvy se dělí antiklinálně nebo periklinálně Orientace buněčného dělení a morfogeneze antiklinální dělení periklinální dělení uvnitř orgánu vně orgánu povrch orgánu kmenová bukmenová buňňkaka kmenová bukmenová buňňkakakmenová bukmenová buňňkaka dcedceřřiná buiná buňňkaka korová bukorová buňňkaka endodermální buendodermální buňňkaka Zonace meristémů Traas et Vernoux 2002 dělení meristému do zón dělení meristému do vrstev Podélný řez vegetativním SAM Arabidopsis zóny: centrální zóna (CZ), periferální zóna (PZ) žebrový meristém (rib zone RZ) Laux a Schoof (1997) CZ je identifikována svým relativně slabým barvením cytoplasmy a nízkým stupněm dělení buněk vrstvy: L1,L2,L3 Begonia rex SAM periferní meristém listová primordia kmenové buňky žebrový meristém tunika korpus Lokalizace primárních meristémů podélný řez apexem stonku Coleus Stonkový apikální meristém Coleus Arabidopsis SAM a listová primordia Podélný a příčný řez meristémem šalvěje (Salvia) Podélný řez apexem stonku Elodea SAM tabáku – vliv cytokininů linie 660 s aktivovaným pOp::ipt kontrola: aktivátor 35S::LhG4 7 DC 15 DC bar = 100 µm zvýšená hladina CK normální hladina CK Vliv cytokininů na vývoj SAM Arabidopsis Werner et al. 2003 35S:AtCKX1kontrola snížení obsahu cytokininů na 30- 40% kontroly) snížená hladina CKnormální hladina CK Vliv cytokininů na vývoj SAM Arabidopsis a b c d a) netransformovaná kontrola WT Columbia 0 b) linie 4G3 x14/1-C s aktivovanou expresí ipt zvýšení obsahu cytokininů c) aktivátor 35S::LhG4 14/1-C d) neaktivovaný pOp::ipt reportérová rostlina 4G3 po 7 DC úsečka = 50 µm DP H. Kratochvílová a) netransformovaná kontrola WT Columbia 0 b) linie 2H2 x 14/1-C s aktivovanou expresí ipt zvýšení obsahu cytokininů c) aktivátor 35S::LhG4 14/1-C d) neaktivovaný pOp::ipt reportérová rostlina 2H2 po 15 DC úsečka = 50 µm a b c d DP H. Kratochvílová Vliv cytokininů na vývoj SAM Arabidopsis Stonkový apikální meristém (SAM) • založený v průběhu embryogeneze • opakované dělení buněk a jejich diferenciace = produkce modulů vegetativních orgánů = fytomera (stonek, list, pupen) • • vegetativní generativní • přechod k reproduktivnímu vývoji = tvorba květů a květenství • může být reversibilní • kontrola (vnitřní i vnější faktory) Velikost stonkového apikálního meristému • většinou malá: 50–150 μm v průměru • cykasy nebo květenství slunečnice: 2-3 mm Denis: www.els.net 1400Chrysanthemum segetum 100Silene coeli-rosa 70Helianthus annuus 50Arabidopsis thaliana průměr vegetativní SAM /um/ rostlina Hofmeisterovo pravidlo • 1868 botanik Wilhelm Hofmeister: nové listy se na SAM zakládají na místě, které je nejvíce vzdáleno od předcházejícího listu existují ale i výjimky úhel mezi listy 99,5° Rutishauser et Peisl 2001 fylotaxe v meristému květenství 137,5°1 2 3 Arabidopsis Sedum 1 2 34 Fylotaxe • je způsob uspořádání listů, šupin nebo listenů s květy na stonku • studium fylotaxe odpovídá na otázky: – co dělá stonkový apikální meristém – jak to dělá Popis fylotaxe • spojování sousedních listů – křivka spojující sousední listy = parastich (helix) – přímá linie = orthostich spirální fylotaxe = v každém nodu 1 list chirální systém = šroubovice nemá střed nebo rovinu souměrnosti achirální systémy křižmostojné listy průměr meristému 150um přeslenité listy průměr meristému 80um Rutishauser et Peisl 2001 Leonardo Pisano, Fibonacci narozený v Pise 1170 odvodil číselnou řadu 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55... 21 spirál proti směru a 34 spirál v opačném směru 8 spirál proti směru a 13 spirál v opačném směru Rutishauser 2009 – výstava v botanické zahradě v Ženevě Pozice orgánů = fylotaxe Aeonium tabuliforme Fibonacciho systém: 8 levotočivých parastichů – 2 značené červeně a 13 pravotočivých parastichů – 3 značeny oranžově žlutě = úhel sousedních listů (137,5°) Pinus sp. všechna spirální uspořádání jeví chiralitu 8 parastichů Rutishauser et Peisl 2001 Regulace stonkového apikálního meristému Fiers et al. Current Opinion in Plant Biology 2007 Lenhardt et Laux 2003 In situ hybridizace: endogenní exprese CLV3 Regulace SAM u Arabidopsis gen WUSCHEL se exprimuje ve spodní části CZ (určuje pluripotenci kmenových buněk) a indukuje expresi CLAVATA3 – ten kóduje produkci ligandu CLV1, který pak kontroluje expresi WUS a tak omezuje vznik nadměrného počtu kmenových buněk a řídí jejich přechod do organogenních zón = gen WUS je negativně regulován proteinem CLAVATA SHOOTMERISTEMLESS (STM) je exprimován v celém SAM kromě PZ, kde se mohou tvořit primordia. AINTEGUMENTA (ANT) je exprimován v laterálním primordiu. Traas et Vernoux 2002 Vizualizace regulace vývoje meristému a význam auxinu pro organogenezi pDR5rev::3XVENUS-N7 aktivace produkce modrého zbarvení v místě výskytu auxinu Gordon et al. 2007 Development Metoda pro pozorování živých meristémů Grandjean et al. 2004 Rozdílná rychlost dělení a růstu buněk Grandjean et al. 2004 barveno FM-64 po 31 hodinách apex meristému LP Rozdílná rychlost dělení a růstu buněk květního primordia Grandjean et al. 2004 podle vzdálenosti od vrcholu po 24 hodinách Diferenciace dceřiných buněk meristémů na trvalá pletiva 3 primární pletiva produkty dělení buněk apikálních meristémů diferencují na 3 typy primárních pletiv, která dalším buněčným dělením a diferenciací tvoří vlastní rostlinné orgány * protoderm * základní meristém * prokambium Protoderm a krycí pletiva protoderm dozrává v epidermis = zploštěná vrstva pokrývající všechny rostlinné orgány některé epidermální buňky se specializují: svěrací buňky průduchů (guard cells) (vždy v párech) - výměna plynů kořenové vlásky (root hairs) emergence ze specializovaných epidermálních buněk (trichoblastů) – zóna v blízkosti kořenové špičky, zvětšení absorpční plochy kořene trichomy • epidermis listů produkuje vosk kutin - kutikula • epidermis stonků a kořenů vytváří při sekundárním tloustnutí suberin Základní meristém diferencuje ve tři typy pletiva parenchym – buňky většinou sférické nebo mírně nepravidelného tvaru (prozenchym, s tenkými stěnami a velkými intercelulárami) výplňové, asimilační, zásobní i ránové pletivo kolenchym – nerovnoměrně ztloustlé buněčné stěny – pevný, ale pružný = podpůrné pletivo neomezující růst, lignin chybí. sklerenchym – schopnost vytvářet masivní sekundární buněčnou stěnu obsahující lignin, dospělé buňky jsou mrtvé vytváří buď dřevní elementy (tracheidy a tracheje), pevná podpůrná vlákna (fibers), kamenné buňky (sklereidy – běžné v osemení) Prokambium produkuje: • primární xylém (protoxylém, metaxylém) • primární floém • kambium (sekundární meristém důležitý pro sekundární růst) produkuje: – sekundární xylém (deuteroxylém) – sekundární floém Primární xylém v době zralosti mrtvé tracheidy a cévní elementy tvoří dutý, kontinuální systém vedoucí vodu z kořenů k listům všechny cévnaté rostliny vytvářejí tracheidy, dlouhé, štíhlé buňky se zkosenými konci ztenčeniny (tečky) po stranách a na konci buněk umožňují proudění vody z buňky do buňky cévní elementy vytvářejí pouze rostliny krytosemenné kratší a širší buňky se spojují svými konci a tvoří trubice, přepážky mezi buňkami většinou chybí, tečky umožňují laterální pohyb vody Primární floém živé pletivo - aktivní transport a hromadný tok cukrů a jiných živin složité pletivo s dvěma hlavními komponentami: • sítkové elementy – vlastní vodivá funkce • doprovodné buňky – zajišťují energii a metabolické potřeby pro sítkové buňky, mají tedy svůj podíl na vedení živin