Generativní meristémy
a vývoj květních orgánů
Časování kvetení
• rostliny musí „vyhodnotit“ řadu vnitřních i
vnějších faktorů
• životní strategie rostliny určuje, jak každý z
faktorů ovlivňuje kvetení, záleží i na
podmínkách lokality
• jsou rozdíly mezi druhy, ale i mezi ekotypy
jednoho druhu
Studium regulace kvetení
• faktory regulující kvetení rostlin
– vnější
– vnitřní
• mechanizmy regulace a integrace odpovědí
rostlin na jednotlivé faktory
určení doby kvetení
Jak rostlina pozná vhodnou dobu ke kvetení
nespolehlivé indikátory
• teplota
• vzdušná vlhkost
• celková úroveň osvětlení
spolehlivé indikátory
• délka dne a noci (receptorem je fytochrom)
mění se s ročním obdobím
mění se se zeměpisnou šířkou
David Honys - FR UK Praha
Vnější faktory regulující kvetení
– fotoperioda: LDP (14 – 16 hod), SDP (8 – 10 hod), SLDP
(krátko-dlouhodenní), LSDP (dlouho-krátkodenní),
ambifotoperiodické (souvislost s teplotou), DNP
(fotoperiodicky neutrální, indiferentní)
• Fotoperiodický režim sledován v listech, stimulus transportován do
meristémů
• Květní stimulus lze přenést z rostliny indukované na rostlinu
neindukovanou roubováním listu
Florigen
Model for the regulation of photoperiodic flowering by florigen. Under inductive day lengths, florigen (FT protein) is
produced in the companion cells of vascular tissue. FT interacts with FT-INTERACTING PROTEIN1 (FTIP1) on the
endoplasmic reticulum (ER) and is translocated into sieve elements. FT moves to the shoot apical meristem (SAM)
through the phloem. In cells of the SAM, FT interacts with 14-3-3 protein in the cytoplasm, and then the FT–14-3-3
complex enters the nucleus to interact with FD. The resultant FT–14-3-3–FD complex (florigen activation complex,
FAC) binds to the promoter regions of floral meristem identity genes (e.g., AP1), thereby activating their gene
expression to promote flowering. (Taoka et al. 2013)
– spektrální složení světla (indikuje hustotu porostu - v
hustém porostu je kvůli absorpci světla listy nízký poměr
R:FR)
– dlouhodobé působení nízkých teplot v zimě (vernalizace)
– stresy (abiotické i biotické) - podle typu stresu zpomalení
nebo urychlení kvetení (při urychlení =
strategie vyhnutí se stresu („stress-avoidance response“ =
rostlina rychle vytvoří potomstvo a semena se rozšíří jinam,
případně přečkají období nepříznivých podmínek na místě)
– další signály z prostředí (úroveň minerální výživy, teplota
aj.) = poměrně málo prozkoumané
Vnější faktory regulující kvetení
Kvalita světla
• poměr R:FR je vnímán fytochromy (fytochrom B, A)
• R složka světla je pohlcována rostlinami, FR se odráží nebo
prochází
• nízký poměr R:FR indukuje u řady rostlin komplex odpovědí
zvaný vyhnutí se zastínění („shade-avoidance response“):
– hluboko vysetá semena neklíčí
– „vytahování“ rostlin v hustém zápoji
– urychlení kvetení = vyhnutí se stínu formou rychlé
produkce semen
Vernalizace
• česky jarovizace, angl. vernalization
• dlouhodobé působení teplot těsně nad bodem mrazu
• požadavek na vernalizaci je častý u rostlin ozimých
(„winter – annual“) a rostlin dvouletých („biennial“)
• může být kvalitativní nebo kvantitativní
(jako u fotoperiodizmu)
Zheng et al. 2018
Vernalizace
• mnohdy kvetení přímo neindukuje, jen umožňuje, že
vernalizované rostliny jsou následně indukovatelné ke
kvetení dlouhým dnem (LD), zatímco nevernalizované
zůstanou i na dlouhém dni vegetativní
• kombinace vernalizace a fotoperiodizmu je dosti obvyklá
• nízké teploty - vnímány v meristémech vzrostných vrcholů
• vernalizované meristémy jsou citlivé na indukční podmínky
(fotoperiodu apod.) i mnoho měsíců po skončení nízkých
teplot
• Meristémy si „pamatují“, že prošly vernalizací. Tato paměť
se předává na dceřiné buňky při mitóze, ale ne při meióze.
• vernalizovaný stav vykazuje znaky epigenetické dědičnosti
Hess 1983
Interní faktory regulující kvetení
• ontogenetické stáří rostliny - mnoho rostlin má
do určitého stáří juvenilní fázi, kdy nejsou
schopny vykvést ani za indukčních podmínek
(nejsou kompetentní ke kvetení)
• velikost/biomasa
- např. některé víceleté monokarpické druhy
(pcháče apod.) vykvetou až po překročení určité
velikosti přízemní růžice
- tabák (McDaniel) indukce kvetení po dosažení
určitého počtu listů větších než 10 cm
• hladina hormonů - hlavně gibereliny Amorphophallus titanum
• homochlamydické květní obaly – perigonum (okvětí)
• heterochlamydické květní obaly – kalich (calyx) a koruna (corolla)
Květy
• asymetrické
• pravidelné (aktinomorfní)
– radiální a souměrní (zygomorfní)
Valeriana
Tulipa
Květní meristém
Srovnání vegetativního
a generativního meristému
Huala et Sussex 1993
listové
primordium
vegetativní
meristém
generativní
meristém květní
primordium
primordia
sepalů
Srovnání vegetativního a
generativního meristému
http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme/
GFP vizualizace aktivity genu
AINTEGUMENTA v listových
primordiích konfokální mikroskop
Arabidopsis
SEM meristému
pAINTEGUMENTA::GFP
J. Traas
generativní
meristém
květní
primordium primordia
sepalů
reguluje proliferaci buněk a růst orgánu udržením
meristematické kompetence buněk během organogeneze
Velikost stonkového apikálního meristému
• většinou malá: 50–150 μm v průměru
• cykasy nebo květenství slunečnice: 2-3 mm
Denis: www.els.net
rostlina průměr vegetativní SAM
/μm/
Arabidopsis thaliana 50
Helianthus annuus 70
Silene coeli-rosa 100
Chrysanthemum segetum 1400
Květní meristém pryskyřníku
Ranunculus apiifolius
(J. Amerika)
R. Rutishauser, Univerzita Zurych
Botanická zahrada Ženeva 2009
Generativní meristémy květenství
artyčok slunečnice magnólie
R. Rutishauser,
Univerzita Zurych
Botanická zahrada
Ženeva 2009
Meristémy květenství
determinantní rostlina – produkuje omezený počet fytomer a
pak přechází do kvetení – časté u jednoletých rostlin
indeterminantní rostlina – apikální buňky jsou permanentní
iniciály
determinantní meristém květenství – úbor – Asteraceae
indeterminantní meristém květenství – hrozen - např. u
Arabidopsis – netvoří se přímo květy, ale také se netvoří
listy, ale listeny a směs meristémů květenství a květů
(květní meristém = nemá na bázi listen)
Indeterminantní meristém květenství
hrozen u Arabidopsis
meristém květenství
meristém květní
(nemá na bázi listen)
Vývoj květního meristému
IM – meristém květenství
BM – „branch meristem“ – sekundární
meristém větve květenství
SM – „spikelet meristem“ – meristém
klásku
SPM – „spikelet pair meristem“
FM – květní meristém
Liu C et al. Development 2009
exprese transkripčního faktoru
AINTEGUMENTA (ANT)
a homeoboxového genu
SHOOT MERISTEMLESS (STM)
v meristému květenství
Arabidopsis ve stadiu 0
Stupně vývoje květu
(Kalthoff 1996)
vegetativní meristém
meristém květenství
květní meristém
květní orgánová primordia
diferenciace květních primordií
1.
květní geny
(FT)
EMBRYONIC FLOWER
2.
geny meristémové identity
LEAFY
3.
katastrální geny
4.
homeotické geny
APETALA3, AGAMOUS
SUPERMAN, CLAVATA1
Systém regulace kvetení
u Arabidopsis
• dráhy reagující na různé
podněty společně regulují
několik integrátorových
proteinů; ty stimulují tvorbu
proteinů pro identitu
meristému (nutné pro
přeměnu z vegetativního na
květní meristém)
• na různých úrovních působí i
represory (např. TFL1),
které brání vykvetení příliš
mladých rostlin
květní integrátorové proteiny
LEAFY (LFY), APETALA1 (AP1), CAULIFLOWER (CAL)
AP2, a UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO)
dlouhý den vernalizace
gibereliny
autonomní
indukce
CO
FT
FLC
SOC1
AP1
LFY
JACK 2004
FRI,PIE
specifikace květního meristému
Integrace faktorů regulace kvetení
Arabidopsis
fotoperioda a kvalita světla autonomní
vernalizace dráha gibereliny
CONSTANS
LEAFY
APETALA1, APETALA3
TERMINAL FLOWER
UNUSUAL FLOWER ORGAN
WUSCHEL
AGAMOUS
SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION
OF CONSTANS1 (SOC1)
FRIGIDA (FRI)
PHOTOPERIOD INDEPENDENT
EARLY FLOWERING (PIE)
FLOWERING LOCUS C
FLOWERING TIME
Hejátko et al. 2005
Integrace faktorů regulace kvetení
Arabidopsis
Liu C et al. Development 2009;136:3379-3391
Geny identity květních orgánů Arabidopsis
• nutné pro indukci květních orgánů
• objeveny pomocí květních homeotických mutantů (homeotický
= vztahující se ke genu ovlivňujícímu hlavní posun ve vývoji)
• indukce kvetení spouští expresi genů LFY, pak AP1 =
transkripční faktory = určují specifikace a umístění orgánů,
proteiny mají specifickou DNA vazebnou strukturu (MADS-
box)
• APETALA (AP1, AP2, AP3), PISTILATA (PI), AGAMOUS (AG)
ABC model regulace
Nature Reviews/Genetics
geny identity květních
orgánů se překrývají
v případě mutace v určité
doméně dochází ke změně
v daném květním kruhu
ABC model regulace
netvoří plodolisty ani tyčinky,
ale jen květní obaly
geny identity květních orgánů se překrývají
chybí petaly a tyčinky
ABC model
Arabidopsis
https://www.msu.edu/course/plb/203/images/
Exprese genů
identity květního
meristému
a genů
identity květních
orgánů
LFY (fialová) exprese v základech
květního meristému (1, 2), meristému
květů (3–7) a mladých květech (8–11).
8 = 3. stadium (4 základy sepalů)
A třída AP1 (červená) v květních
meristémech, sepalech a petalech a
květní stopce
B třída AP3 and PI (žlutá) 2. a 3.
květní kruh – petaly a tyčinky
C třída AG (modrá) 3. a 4. kruh –
tyčinky a pestíky
složení exprese vede k
diferenciaci různých orgánů
http://www.els.net/Wile
yCDA/ElsArticle/refId-
a0000734.html
Meristém květenství a květů
vizualizace exprese LFY, AP1
LFY::ALCR alcA::GFP LFY::ALCR alcA::GUS AP1::ALCR alcA::GFP
http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme2/index.html
Přehled stadií vývoje květu
u Arabidopsis
Smyth et al., Plant Cell, 2, 755-767, 1990
Stadium Charakteristický znak
1 vznik květního základu
2 tvorba květního primordia
3 formace primordií sepalů
4 sepaly překrývají meristem
5 vznik primordií petalů a tyčinek
6 sepaly uzavírají pupen
7 zakládání nitky u primordií dlouhých tyčinek
8 diferenciace prašných pouzder
9 primordia petalů na bázi užší, rychlý růst nahoře
10 petaly na úrovni krátkých tyčinek
11 diferenciace bliznových papil
12 petaly na úrovni dlouhých tyčinek
Vývoj květu
u Arabidopsis
zakládání sepalů –
periklinální dělení
abaxiální a
adaxiální sepal
zakládání petalů–
periklinální dělení (*)
Bowman 1993
2 2
3 4
5
Stadia vývoje květu
Arabidopsis
5 - vznik primordií petalů (P) a
tyčinek,
primordia delších tyčinek (LS)
primordia kratších tyčinek (SS)
6 - primordia tyčinek
vyklenutá, základ gynecea (G)
7 - zakládání nitky u primordií
dlouhých tyčinek ( )
8 - diferenciace prašných
pouzder u dlouhých tyčinek
Smyth et al. 1990
5 6
7 7
8 8
Vývoj květu u Arabidopsis
iniciace gynecea *
mediální prašníky = ms
příčný řez
semeníkem –
zakládání vajíček (ov)
Bowman 1993
6
7
8 9
Vývoj květu u Arabidopsis
Roeder et Yanofsky 2006
7
The Arabidopsis Book
stadia 1 - 5
6 - začátek tvorby gynecea
7 – gyneceum jako dutý válec
6
7
Stadia vývoje květu Arabidopsis
9 - petaly nahoře širší
9
10 – velikost květu 2x větší,
petaly na úrovni kratších
tyčinek
10
11 – diferenciace
bliznových papil
11 12
12 – petaly na úrovni
delších tyčinek
Smyth et al. 1990
Vývoj květu u Arabidopsis
Roeder et Yanofsky 2006
9 - základy vajíček
vznik septa
8 – prašná pouzdra
Vývoj květu u Arabidopsis
Roeder et Yanofsky 2006
8. stadium5. stadium
11 – papily na blizně
vnitřní integument
12 – čnělka
vnější integument
13 – antheze
12 1311
gyneceum
vajíčka
Srovnání vegetativního
a generativního meristému Arabidopsis
Matsumoto et Okada
Genes & Development 2001
vegetativní meristém meristém květenství meristém květu
Meristém květenství a květu
Clark 2001
Heisler 2005
pPIN1::PIN1-GFP
Ekvivalentní geny pro květní meristémy
a geny identity orgánů
Arabidopsis Antirrhinum funkce
LEAFY (LFY) FLORICAULA (FLO) identita meristému
APETALA 1 (AP1) SQUAMOSA (SQUA) identita meristému
A funkce
APETALA 2 (AP2) identita meristému;
A funkce
TERMINAL FLOWER 1
(TFL1)
CENTRORADIALIS (CEN) represor genů identity
meristému
UNUSUAL FLORAL
ORGANS (UFO)
FIMBRIATA (FIM) koregulátor LFY
APETALA 3 (AP3) DEFICIENS (DEF) B funkce
PISTILLATA (PI) GLOBOSA (GLO) B funkce
AGAMOUS (AG) PLENA (PLE) C funkce
Schneitz et Balasubramanian (2001)