Vývoj embrya a endospermu Embryogeneze - vývoj embrya = proces přeměny jednobuněčné zygoty v embryo obsahující základy orgánů budoucí rostliny pozoruhodná jednota utváření klíční rostliny různých taxonů vyšších rostlin : apikálně-bazální osa = meristémy radiální symetrie = koncentricky uspořádaná pletiva další vývoj = postembryonální aktivita meristémů Vývoj embrya embryo se vyvíjí ze zygoty zygota – vzniká v zárodečném vaku ve vajíčku fúzí vaječné buňky (oosféry) s buňkou spermatickou = oplození oplození jednoduché rostliny cévnaté výtrusné rostliny nahosemenné dvojí – krytosemenné rostliny syngamie = splynutí vaječné buňky s buňkou spermatickou konfluace = splynutí centrální buňky zárodečného vaku s druhou buňkou spermatickou Od vajíčka k semeni 1. přeměna oplozeného vajíčka v semeno 2. přeměna pestíku (nebo jeho části) v plod Vývoj embrya v čase je charakterizován sledem typických morfologických stadií zygota lineární embryo globulární embryo srdcovité embryo hruškovité (torpédovité) zralé embryo u dvouděložných rostlin u jednoděložných rostlin zygota lineární embryo mnohobuněčné embryo „válcovitý útvar“ zralé embryo (laterálně založený SAM a rudiment 2. dělohy) Embryogenetické typy Solanad Chenopodiad Caryophyllad Onagrad Asterad Piperad první dělení zygoty = příčné první dělení zygoty = podélné dělení apikální buňky = příčné dělení apikální buňky = podélné Piperad Onagrad Caryophyllad Asterad Embryogenetické typy Chenopodiad Solanad Poddubnaja-Arnoldi 1976 Výskyt embryogenetických typů • Solanad - Solanaceae (lilek, tabák), Papaveraceae, Linaceae • Chenopodiad – Chenopodiaceae (merlík, řepa) • Caryophyllad – Silenaceae, Fumariaceae, Viciaceae • Onagrad – Onagraceae, Brassicaceae, Ranunculaceae, Lamiaceae, Euphorbiaceae, Viciaceae, Liliaceae • Asterad – Asteraceae, Rosaceae, Polygonaceae, Liliaceae, Poaceae • Piperad – Piperaceae, Dipsacaceae, Euphorbiaceae Solanad Poddubnaja-Arnoldi 1976 Vývoj embrya a endospermu - Nicotiana N. ruta x N. tabacum 5 DAP 10 DAP 15 DAP 20 DAP N. tabacum x N. ruta 5 DAP 10 DAP 15 DAP 20 DAP Zpomalení vývoje při křížení s pylem N. ruta PoddubnajaArnoldi 1976 Solanad Chenopodiad Poddubnaja-Arnoldi 1976 Caryophyllad (Sagina) Poddubnaja-Arnoldi 1976 Asterad Poddubnaja-Arnoldi 1976 Onagrad - Capsella Poddubnaja-Arnoldi 1976 globulární embryo torpédovité (hruškovité) embryo Capsella bursa-pastoris Stadia vývoje embrya - Capsella Thorpe 1995 Raven et al.(2005): Biology of Plants. Image adapted from Wolpert, Lewis. (1998) Principles of Development. Oxford University Press, NY Stadia embryogeneze Arabidopsis thaliana zygota Embryo lilie (Lilium)‫‏‬ embryo v globulární fázi vývoje suspenzor vlastní embryo endostom endosperm Embrya jednoděložných rostlin Galanthus nivalis Narcissus pseudonarcissus Zea Poddubnaja-Arnoldi 1976 Podélný řez obilkou pšenice perikarp testa aleuronová vrstva endosperm embryo: štítek (scutellum) koleoptile list plumula epiblast (rudiment 2. dělohy) mezokotyl radikula koleorhiza kalyptra u obilek srůstá Triticum Zea mays Allium cepaEmbrya jednoděložných rostlin Embryogeneze u Arabidopsis (typ Onagrad)‫‏‬ první dělení zygoty = příčné PIN-FORMED 1 - 8 (PIN1-8) = regulátory transportu auxinu malá apikální buňka větší bazální buňka proembryo bazální buňka suspenzor + hypofýza (arabinogalaktan. epitopy, PIN7) apikální buňka vlastní embryo transkripční faktory AtML1, WUS Embryogeneze u Arabidopsis formace radiálních vzorů - začíná ve stadiu 8 buněk periklinální dělení vznik protodermu na povrchu dělení vnitřních buněk základní meristém základ prokambia epidermis kůra a endodermis cévní svazky Embryogeneze u Arabidopsis cb ca Model pro roli distribuce auxinu při formování embrya (J. Friml)‫‏‬ mp, bdl - mutanty v odpovědi na auxin gn - mutant transportu auxinu specifikace apikálních buněk - hromadění auxinu specifikace kořenového pólu produkce a transport auxinu do hypofýzy a suspenzoru absence kořenového pólu specifikace základů dělohhromadění auxinu v ve dvou místech apexu GE Polarita embrya – transport auxinu PIN7 PIN1 Taiz l., Zieger E.: Plant Physiology. – Sinauer Ass., Inc., Publishsrs, Sunderland, Massachusetts, 2006 (upraveno) normální jedinec Brassica juncea mutant pin1 efekt kyseliny skořicové – působí inhibici transportu IAA Fischer C. et al.- Plant Cell 9, 1997 Projevy poruch transportu auxinu Polární transport auxinu zajišťuje řada genů gen GNOM/EMB30 mutant gnom (z něm. trpaslík) mutace se projevuje již při prvním dělení zygoty = je symetrické poruchy ukládání pektinů, adheze a komunikace buněk) c – dělohy ep – vlastní embryo er – embryonální kořen h – hypokotyl s – suspenzor sc – osemení AtLPT1-GUS stádium globulární srdčité dospělé Vroemen C.W. et al. 1996 kóduje ARF GEF (ADP-ribosilation factor GDP exchange factor) ovlivňuje polární transport váčků nesoucích PIN do plazmatické membrány mutant monopteros (rorýs) MP je transkripční faktor ARF („auxin response factor“, váže se na AuxRE) aktivuje transkripci genů řízených signálem auxinu mutant má poškozenou také diferenciaci vodivých pletiv gen MONOPTEROS gen BODENLOS/IAA12 gen IAA13 BDL, IAA13 jsou Aux/IAA - inaktivují MP (ARF) auxin navodí navázání ubikvitinu E3 ligázou SCFTIR1 a odbourávání BD mutantní proteiny ligáza nerozezná a signál auxinu je blokován (mutace gain-in-function) Szemenyei H. et al: Science 319 (2008) Polární transport auxinu zajišťuje řada genů v embryích a v klíčních rostlinách MP kóduje transkripční faktor ARF Exprese genu MONOPTEROS (MP) geny WUS (WUSCHEL; něm. střapatý) stadium 16 buněk – horní vnitřní tetráda transkripční faktor s homeodoménou (jeden ze skupiny WOX (WUSCHELHOMEOBOX) reprimuje transkripci genů RR (RESPONSE REGULATOR), které negativně ovlivňují geny indukovatelné cytokininy u Arabidopsis ARR5, ARR6, ARR7, ARR15 CUC1, CUC2, CUC3 (CUPSHAPED COTYLEDONS) exprimují se od konce globulárního stádia transkripční faktory skupiny NAC (60 aminokyselin) → exprese dalších genů, např. STM jsou reprimovány signálem auxinu STM (SHOOTMERISTEMLESS) – skupina genů KNOX transkripční faktor s homeodoménou u mutantů cuc se neexprimuje CLV1, CLV2, CLV3 (CLAVATA) CLV1 a CLV2 – receptorová kináza, CLV3 – extracelulární signální protein Long et al. (2006) Science wus – STM se exprimuje ve správný čas na správném místě do pozdní embryogeneze stm – CLV se exprimuje do torpédovitého stádia WUS se exprimuje do pozdní embryogeneze Regulace vývoje apikálního stonkového meristému Arabidopsis – vývoj radikuly barevně je rozlišen původ buněk diferenciace kořenové čepičky geny kódující ARF10 a ARF16 = stimulovány auxinem a inhibovány miRNA exprese MP a PLT závisí na IAA PLT indukuje expersi SHR a SCR PLT, SHR a SCR se exprimují v klidovém centru a základu kolumely Taiz l., Zieger E.: Plant Physiology. – Sinauer Ass., Inc., Publishsrs, Sunderland, Massachusetts, 2006 (upraveno) Diferenciace kořene – nezbytný polární transport auxinu geny HBT (HOBBIT) exprimuje se v dolní tetrádě oktantu, kóduje složku ubikvitinové E3 ligázy typu APC – u mutantu Arabidopsis hbt se nedělí hypofýza, je zvýšená hladina některých Aux/IAA MP je epistatický k HBT MP a BDL se neexprimují v hypofýze, ale v jejím derivátu – buňce čočkovité PLT1, PLT2 (PLETHORA) kódují transkripční faktory AP2/EREBP = ERF (etylén) transkripční faktory SHR (SHORT ROOT) SCR (SCARECROW; strašák) suspenzor (zavěšovadlo) dočasná funkce v rané embryogenezi tvarově rozmanitý orgán - haustoria Wardlaw C.W.: Embryogenesis in Plants. – John Viley & sons, Inc., London, 1955 1. ukládání zásobních látek 2. dehydratace a tvorba ochranných proteinů (LEA = late embryo abundant) 3. zvýšená koncentrace inhibičních látek (ABA = kyselina abscisová) Zrání embrya Robert Brown (1773 –1858) skotský botanik • zavedl pojem nucellus (kolem 1830), považoval jeho pletivo za výživu embrya a nazýval jej albumen primarium. • Pro endosperm, který se tvoří ve vznikajícím semeni, používal termín albumen secundarium (= dnešní označení primární a sekundární živné pletivo). • popsal, že embryo je radikulou vždy orientováno k mikropyle Endosperm rostlin krytosemenných pletivo obklopující a vyživující embryo v průběhu vývoje počátek vývoje = konfluace – oplození centrální buňky zárodečného vaku = vznik primární endospermální buňky typy endospermu podle způsobu dělení: • jaderný (nukleární) – zpočátku volnojaderné dělení, později celularizace - výskyt u jednoděložných i dvouděložných rostlin (Brassicaceae - Capsella, Galanthus, Cocos,) • buněčný (celulární) – po každém dělení jádra tvorba buněčné stěny - častější u dvouděložných (Viciaceae, Solanaceae, Campanulaceae - Jasione) • helobiální – po prvním dělení vznik přepážky, v každé pak probíhá volnojaderné dělení - častější u jednoděložných (Juncus, Najas) endosperm může i chybět (Orchidaceae, Trapaceae) Endosperm dočasný - v průběhu dozrávání embrya je „spotřebován“ = bezbílečnatá semena v semeni přetrvává v době zralosti embrya = bílečnatá semena zbytek nucellu v době zralosti embrya = perisperm Typy endospermu helobiální jaderný převládá buněčný jaderný u kukuřice Costa et al. TIPS 2004 První dělení primárního endospermálního jádra u lilie metafáze prvního dělení primárního endospermálního jádra, vznik volnojaderného endospermu v mikropyle tmavě červeně zbarvená pylová láčka (bílá šipka). antipody IASPRR Dvoujaderný endosperm u lilie dělení endospermu začíná před dělením zygoty (detail vpravo) IASPRR Raná stadia vývoje jaderného endospermu u Arabidopsis (coenocyt)‫‏‬ MP MCE CZE PEN V V V CZE E ChP MP - mikropylární pól V - vakuola ChP - chalazální pól E - embryo MCE - mikropylární endosperm PEN - periferální endosperm CZE - chalazální endosperm Celularizace endospermu u Arabidopsis C MCE -mikropylární buněčný endosperm ALV - alveoly RMS - radiální mikrotubulární systém NO - endospermální noduly E - embryo CE - buněčný endosperm ChC - chalazání cysta ALC - „aleurone-like cells“ Endosperm ploidie - záleží na typu zárodečného vaku: obecně 3N, u Oenothera 2N u typů Fritillaria, Penea, Pepromia polyploidní (extrém 300N) složení: zásobní látky polysacharidy (škrob, galaktomananové hemicelulózy u datle, luštěnin) proteiny (proteinová tělíska – fragmenty ER, vakuoly) – zásobní, funkční lipidy (tuky a oleje – lipidová tělíska oleozomy) fytin – hexafosfátový ester myo-inozitolu, Ca a Mg sůl Celularizace endospermu u obilovin RMS - radiální systém mikrotubulů alveola antiklinální stěna Olsen, Plant Cell 2004 Celularizace endospermu u obilovin Olsen, Plant Cell 2004 stěna centrální buňky funkční fragmoplast postupná tvorba buněk směrem dovnitř vakuoly rozdělení škrobových iniciál náhodným směrem iniciála aleuronové vrstvy Otegui et Staehelin (2000) Curr. Opinion Plant Biol. 3 NCD – nukleo-cytoplazmatická doména MP – minifragmoplast MTOC – centrum organizující mikrotubuly MT – mikrotubuly N – jádro (Coronopus didymous, čel. Brassicaceae) Celularizace jaderného endospermu MP – minifragmoplast MT – mikrotubulus GHI – fúze váčků typu přesýpacích hodin (angl. hourglass intermediates) RS – ring-like structure WTN – síť širokých tubulů TTN – síť tenkých tubulů CB – klatrinové vezikuly tvořící se na membráně (angl. clathrin-coated budding vesicle) Celularizace jaderného endospermu Otegui et Staehelin (2000) Curr. Opinion Plant Biol. 3 Stadia celularizace jaderného endospermu Arabidopsis MP – minifragmoplast MT – mikrotubulus GHI – fúze váčků typu přesýpacích hodin (angl. hourglass intermediates) RS – ring-like structure WTN – síť širokých tubulů TTN – síť tenkých tubulů SCW – postranní buněčná stěna PM - plazmatická membránaOtegui (2000) Plant Cell A - stadium váčků B - stadium sítě širokých tubulů C - stadium sítě tenkých tubulů D - stadium okének (FS) E – antiklinální stěna DME je exprimován pouze v centrální buňce zárodečného vaku demetyluje = aktivuje FIS1/MEA a FIS2 DME (DEMETER) MEA (MEDEA) FIS (FERTILISATION INDEPENDENT SEED) FIE (FERTILISATION INDEPENDENT ENDOSPERM) Geny důležité pro vznik endospermu ♀ mutanti fis1/mea, fis2, fis3/fie bez oplození tvoří diploidní endosperm a semena bez embryí, v tvarově pozměněných plodech po oplození mutanta zdravou rostlinou – bujný endosperm, semena nedokončí vývoj, plody předčasně opadávají ♂ mutanti fis1/mea, fis2, fis3/fie – nemají výrazný projev Raná embryogeneze a vývoj endospermu u kukuřice po oplození in vitro fůze iniciovaná el. pulsemCa2+ maximum Ca2+