Apomixe Apomixe u kvetoucích rostlin objev apomixe (Smith, 1841) = samičí rostliny Alchornea ilicifolia (Euphorbiaceae) z Austrálie tvořily semena v Kew Gardens v Londýně (bez přítomnosti samčích rostlin) 1908 Winkler termín apomixis = ‘‘substitution of sexual reproduction by an asexual multiplication process without nucleus and cell fusion’’ současný náhled: apomixis je synonymem termínu ‘‘agamospermie’’ (Richards, 1997) Apomixe (apomixis) • nepohlavní rozmnožování rostlin semeny • vyskytuje se přirozeně u stovek druhů (více než 400 a u více než 40 čeledí), časté obzvlášť u čeledí Asteraceae, Rosaceae a u Poaceae • Apomiktická embrya vznikla pouze z buněk mateřských pletiv vajíčka, NE splynutím vaječné a spermatické buňky • apomiktická semena obsahují embrya, která jsou genetickými kopiemi mateřské rostliny = velký význam v případě, že mateřská rostlina je hybrid • velké využití ve šlechtění pro produkci hybridních semen – umožňuje enormní snížení času (i nákladů) • možnost produkovat plodiny adaptované na různé podmínky klimatické i environmentální Apomiktická embrya • Nejméně tři vývojové odlišnosti od somatické embryogeneze: – AE se vytváří v diferencované struktuře – AE se vytváří v nebo poblíž gametofytic. struktur a bez kalusové fáze, která je typická pro somatickou embryogenezi – Vývoj AE je téměř neodlišitelný od normálních embrií, což ne vždy platí pro somatická emb. Srovnání pohlavního rozmnožování a apomixe Darrigues et al. Význam apomixe • umožňuje tvorbu velkých geneticky uniformních populací • zachovává hybridní vigor (vlastnosti získané hybridizací) v následných semenných generacích • plánuje se její využití v zemědělství: – rychlá tvorba a množení nejlepších odrůd – redukce nákladů a času při šlechtění – překonání problémů spojených s pohlavním rozmnožováním, jako jsou opylovači, kros-kompatibilita – redukce přenosu virů u vegetativně množených plodin Význam apomixe pro produkci hybridních semen http://www.biologie.uni-regensburg.de/Zellbiologie/Dresselhaus/Research/research5.html při pohlavním rozmnožování v F2 dochází k segregaci znaků při apomixi se heterozní efekt zachovává Mechanismy apomixe • existence buněk schopných tvořit embryo bez předcházející meiózy (apomeióza) • spontánní tvorba embrya nezávislá na oplození (partenogeneze) • schopnost autonomně produkovat endosperm nebo využít endosperm vyvíjející se po oplození Koltunov 1993 Původ apomiktického embrya • sporofytická dráha – embryo vzniká přímo z nucelu nebo integumentu vajíčka = adventivní embryonie • gametofytická dráha - vytváří se zárodečný vak: diplosporie - zárodečný vak vzniká přímo z mateřských buněk megaspor (Antennaria, Cortaderia) (vůbec neproběhne meióza) nebo po narušení meiózy (Taraxacum) aposporie – zárodečný vak vzniká z buněk nucelu (Hieracium) Diplosporie a aposporie vývoj z megasporocytu: • typ Taraxacum – v jádře megasporocytu začne probíhat meiotická profáze, ale díky poruchám vznikne tzv. restituční diploidní jádro, které se dělí mitoticky (Chondrilla, Arabis) • typ Ixeris se liší tím, že neprobíhá cytokineze (Erigeron, Rudbekia) = meiotická diplosporie • u typu Antennaria je meióza úplně redukovaná (Calamagrostis, Poa, Rubus, Eupatorium) = mitotická diplosporie • typ Hieracium – vývoj zárodečného vaku z buňky nucelu, meióza neprobíhá (Artemisia, Hypericum, Alchemilla, Ranunculus, Crepis) = aposporie Erdelská (1981), podle Rodkiewicza (1973) Adventivní embryonie • Embrya vznikají z buněk nucelu nebo vnitřního integumentu (ne ze zárodečného vaku) • V jednom vajíčku mohou být adventivní embrya i zygotické (vzniklé splynutím gamet) • Embrya vrůstají do zárodečného vaku • Mohou vznikat i v neoplozeném vajíčku, ale většinou je jejich vývoj závislý na oplození centrálního jádra ZV pro vznik endospermu (výživa) Schéma některých typů apomixe normální vývoj zárodečného vaku diplosporie typu Taraxacum diplosporie typu Ixeris diplosporie typu Antenaria aposporie typu Hieracium adventivní polyembryonie Erdelská (1981), podle Rodkiewicza (1973) Srovnání pohlavního rozmnožování a apomixe apomixe upr. podle Koltunov 1995 Aposporie u rodu Hieracium ai iniciála aposporie aes aposporický zárodečný vak Bicknell a Koltunov 2004 kalózové stěny barvené anil. modří Proč apomixe fixuje určitý genotyp • protože pro tvorbu zárodečného vaku nebo vaječné buňky není nutná meióza • chybí tak možnost rekombinace alel • samčí gametofyt nepřispívá ke genetické výbavě embrya • apomixe vylučuje potřebu událostí považovaných za nezbytné pro úspěšnou produkci semen přesto jsou produkována životaschopná semena ! Koltunov (1993) apomixe a sexuání rozmnožování se nemusí vždy vylučovat: • u obligátních apomiktů je pohlavní reprodukce vyloučena, protože všechna semena mají genotyp matky • u fakultativních apomiktů mohou být získána jak zygotická, tak klonální semena – pohlavní a apomiktický způsob rozmnožování tak může koexistovat Bicknell a Koltunov 2004 Srovnání pohlavního rozmnožování a apomixe dvojí oplození meiosis dvojité oplození Vliv samčího gametofytu • Autonomní apomixie – průběh nezávisle na opylení a prorůstání pylové láčky • Indukovaná apomoxie – vliv samčího gametofytu • Automixie – speciální případ partenogeneze, normální zárodečný vak s redukovaným počtem chromozómů, ale před vstupem do embryogeneze se chromozomy vaječné buňky bez oplodnění zdvojnásobí (endomiticky nebo splynutím s jinou haploidní buňkou zárod. vaku) • Pseudogamie – indukovaná apomixie, nutná účast samčího gametofytu a oplození centrálního jádra kvůli vývoji endospermu (např. adventivní embryonie, aposporie) • Semigamie – spermatická buňka pronikne do vaječné buňky, ale jádra nesplynou. Jádra se dělí samostatně a výsledkem je chiméra poskládaná z částí samičího a samčího genomu. Apomixe a komerce • US Department of Agriculture (USDA) – první instituce, která patentovala výsledky z oblasti apomixe • projekt ve spolupráci s Institutem cytologie a genetiky v Novosibirsku na Sibiři – křížení kukuřice s jejími divokými příbuznými (Tripsacum) • 2008 – Leblanc et al. – problémy s přenosem apomixe do plodin Apomixe a komerce Company Partner Relationship Syngenta EPEN (European Plant Embryogenesis Network) Novartis involved in the project "Apomixis in agriculture: a molecular approach" Syngenta ECAA (European Concerted Action on Apomixis) Syngenta to participate in the creation of European Apomixis network Limagrain ECAA Limagrain has followed up Biogema's work in the ECAA Limagrain Australian National University Common research to find genes regulating meiosis Pioneer, Syngenta, Limagrain IRD/CIMMYT Non-exclusive use of IRD/CIMMYT patent Pioneer Hi- Bred USDA Pioneer providing money and technology for USDA work on pearl millet Pioneer Hi- Bred Agricultural University of Norway The university uses Pioneer's gene collections in its research GRAIN 2001 • 1989 - IRD/CIMMYT Projekt Apomixis – cílem byl přenos apomixe do obilovin, aby malí farmáři rozvojových zemí mohli skladovat hybridní semena • únor 1997 – francouzská vývojová agentura IRD (Institut de Recherche pour le Développement) a CIMMYT (the International Maize and Wheat Improvement Centre v Mexiku) – patentovali použití metod pro identifikaci genů podílejících se na apomixi u Tripsacum