Huseníček rolní Arabidopsis thaliana
květ gametogeneze
a oplození
K
C
A
G
pylové zrno
pylová láčka
vajíčko
embryo
embryogeneze
semeno
klíčení
semenáček
hypokotyl
kořen
lístky
děložní
růst a
zrání
týdny
Arabidopsis
thaliana
Životní cyklus
modelové rostliny
Arabidopsis thaliana
1 týden 3 týdny
4 týdny 6 týdnů
Arabidopsis thaliana – první sekvenovaný rostlinný genom
Floral dip, inzerční mutageneze, reportérové linie
The Arabidopsis Information Resource – www.arabidopsis.org
Arabidopsis – embryonální vývoj
Vývoj zygoty a časná embryogeneze
krytosemenných rostlin …
zygota bazální
buňka
terminální
buňka
základ
embrya
suspenzor
časné
embryo
suspenzor
globulární stádium stádium
stádium srdce torpéda
hypofýza
děložní
kořenový prýtový lístky
meristém meristém
… embryogeneze
oktant globular srdce torpédo
semenáček
prýtový meristém
kotyledony
kořenový meristém
hypokotyl
kořen
„ Osudové mapování “ embrya: již od globulárního stádia
je možné rozlišit tři hlavní oblasti podél A – B osy
1
2
3
Apikální
meristém (M)
a základy
listů (L)
Arabidopsis :
meristém má
trojvrstevnou
strukturu,
vrstva L1 a L2 (tunica)
mají rovinu dělení
antiklinální,
corpus L3 má
roviny různé
listové primordium
tunica
corpus
kolmé ekvatoriální
roviny dělení
buněk pláště
L1 a L2
Charakter (kmenových) buněk prýtového meristému
je určován antagonistickými účinky genů :
- Shootmeristemless a Wuschel potlačují diferenciaci
a zajišťují proliferaci meristému
- Clavata3 naopak stimuluje diferenciaci
WT mutace STM
kmenové buňky
centrálního meristému
list list
diferenciace
diferenciace
(Kathy Barton,
Stanford)
Geny embryonálního vývoje rostlin
mutace ovlivňující tvorbu základní osy embrya
Geny embryonálního
vývoje rostlin :
mutace způsobují
deleční vývojové typy
podél apikálně-bazální
osy embrya
(analogie s geny
velkých mezer
u drozofily ?)
Rostlinné
meristémy
jsou
schopny
regulace
odstranění špičky meristému vede k regeneraci
původního meristému
listové primordium
nový meristém
odstranění celého meristému vede ke tvorbě
nového meristému na novém místě
Regenerace u rostlin je POLARIZOVANÁ :
izolované části stonku regenerují vždy
- kořeny z bazální části řezu a
- stonek z nejbližšího pupene k apikální části
vrstva
meristemu
L 2
( i )
květen-
ství
1
2
34
5
6
7
8
„Osudová mapa“
embryonálního prýtového
meristému Arabidopsis
- vývoj meristému je závislý
na signálech z rostliny
- rostliny se vyznačují výrazným
regulativním typem vývoje
Tvar vznikajících struktur
je dán různou rychlostí dělení buněk
Přechod z vegetativní do generativní fáze života rostliny
Photoperiod
Vernalization
Autonomous pathway
GA biosynthesissepal
Fotoperioda a kvetení
sepal
Genetické řízení procesů vývinu květů
vegetativní meristém
krok 1
květní geny
př. Embryonic flower
meristém květenství
krok 2
geny meristémové identity
př. Leafy
květní meristém
krok 3
katastrální geny
př. Superman
tvorba květních
orgánových primordií
krok 4
homeotické geny
př. Apetala 3
determinace květních
orgánových primordií
Embryonic Flower
sepal
Floral genes
Genetické řízení procesů vývinu květů
vegetativní meristém
krok 1
květní geny
př. Embryonic flower
meristém květenství
krok 2
geny meristémové identity
př. Leafy
květní meristém
krok 3
katastrální geny
př. Superman
tvorba květních
orgánových primordií
krok 4
homeotické geny
př. Apetala 3
determinace květních
orgánových primordií
Geny meristémové identity
Gen LEAFY řídí tranzici vegetativního růstu v kvetení
Genetické řízení procesů vývinu květů
vegetativní meristém
krok 1
květní geny
př. Embryonic flower
meristém květenství
krok 2
geny meristémové identity
př. Leafy
květní meristém
krok 3
katastrální geny
př. Superman
tvorba květních
orgánových primordií
krok 4
homeotické geny
př. Apetala 3
determinace květních
orgánových primordií
Arabidopsis thaliana
katastrální geny
wt
K2+2 C4 A2+4 G2 epialely genu SUPERMAN (Clark Kent)
Genetické řízení procesů vývinu květů
vegetativní meristém
krok 1
květní geny
př. Embryonic flower
meristém květenství
krok 2
geny meristémové identity
př. Leafy
květní meristém
krok 3
katastrální geny
př. Superman
tvorba květních
orgánových primordií
krok 4
homeotické geny
př. Apetala 3
determinace květních
orgánových primordií
Arabidopsis thaliana
homeotické mutanty
wt (KCAG) mutace apetala3 (KKGG)
(group B)
KVĚT: komplex reprodukčních orgánů krytosemenných rostlin
pylová zrna
blizna (G) – W4
prašník (A) – W3
nitka
koruna (C) – W2
čnělka
pylová láčka
semeník
vajíčka
kalich (K) – W1
květní lůžko
stopka
1 2 3 4
pestík
tyčinka
koruna
kalich
1
2
3
4
Johann Wolfgang von Goethe
(1747-1832)
The Metamorphosis of Plants (1790)
… From first to last,
the plant is nothing but leaf …
( … rostlina je složena pouze z listů, které se vyskytují v různých tvarech … )
MADS-boxové geny :
alternativní regulátory segmentace a vývoje
M … MCM1 gen kvasinky
A … agamous květní gen Arabidopsis
D … deficiens květní gen Antirrhinum
S … serum response faktor člověka
N … amino-terminální oblast (extenze)
MADS - box … konzervativní 5’-oblast
I … slabě konzervativní vmezeřená oblast
K … kóduje proteinovou doménu podobnou
cívkové struktuře keratinu
C … karboxy-terminální oblast (aktivátor)
Model ABC (1990) květního vývoje
wild-typ
kalich koruna prašník pestík
mutant skupiny B
kalich kalich pestík pestík
mutant skupiny A
pestík prašník prašník pestík
mutant skupiny C
kalich koruna koruna kalich
Homeotické geny s MADS-boxem řídí specifitu
květních orgánů:
model ABC u Arabidopsis thaliana
tři skupiny transkripčních faktorů ABC
určují specifitu čtyř květních kruhů K
(kalichu), C (koruny), A (tyčinek) a G (pestíku)
WT mutace A: apetala 2 mutace B: pistillata mutace C: agamous
KCAG (bisexuální) GAAG (hypersexuální) KKGG (samičí) KCCK (asexuální)
Domény účinku homeotických genů ABC
studované s pomocí GUS
Rostliny mají homeotické geny dvojího typu
- MADS-boxové … řídí identitu květních kruhů
- homeoboxové … určují architekturu vegetativních částí
složený list složený list vyššího řádu transgenní rajče
wild-typu u transgenního rajčete bushy
rajčete s chimérickým genem knotted1
fenotyp ( Petroselinum )
Samčí a samičí sporogeneze, gametogeneze a dvojí oplození
u Arabidopsis
MEGASPOROGENEZE A
MEGAGAMETOGENEZE
programovaný
zánik tří
megaspor migrace jader
cíl
oplození
megagametofyt
synergidy
antipody
oocyt
centr. zár. vaku
syncytium
celularizace
MIKROSPOROGENEZE
A MIKROGAMETOGENEZE
- gametofyt je haploidní, vyžaduje specifickou genovou expresi
- představuje střídání životních cyklů, rodozměnu
- model buněčné biologie, asymetrická první pylová mitóza
- generativní buňka je uvnitř buňky vegetativní (Bacillus subtilis!)
- řízený růst a zánik buňky vegetativní (pylová láčka)
- vznik dvou funkčních „souřadných“ spermií (?)
mutant: kvartet zralé pylové zrno
mutant: symetrická
pylová mitóza
mutant :
sidecar
V S
Dvojí oplození u krytosemenných rostlin :
Sergej Gavrilovič Navašin 1898
1p : 2m
1p : 1m
Maternální či paternální exces vedou k narušení
exprese imprintovaných genů v endospermu
Rod Scott
(Bath 1998)
Diploidní WT:
embryo 1:1 (M:P)
endosperm 2:1 (M:P)
Maternální exces: Paternální exces:
embryo 3:1 (M:P) embryo 1:3 (M:P)
endosperm 6:1 (M:P) endosperm 2:3 (M:P)
Úlohy komplexů
POLYCOMB
v životním cyklu
rostlin
Proteiny skupiny POLYCOMB
- jsou antagonisty (represory) homeotických
genů s homeoboxem či MADS doménou
- specifikují místo účinku homeotických
transkripčních faktorů
Arabidopsis CURLY LEAF versus AGAMOUS
Justin Goodrich
(Edinburgh)
listy
wild-typu
listy mutace clf :
ektopická
exprese květního
genu AG
DŮKAZ TEORIE PARENTÁLNÍHO
KONFLIKTU U ROSTLIN
Řecká tragédie
MEDEA
(431 př. Kr.)
… Medea zabíjí
své děti za
Iásonovu zradu …
Euripides
(480–406 př. Kr.)
Parentální imprinting u rostlin : maternální efekt genu
MEDEA
maternální wt-alela: kontrola
(redukce) embryonální proliferace
Ueli Grossniklaus
(Zurich 1998)
wt
mutace medea
MM / mm
/ -
Fenotyp mutace medea
• embryo odvozené z vajíčka
medea nadměrně roste a
umírá v průběhu desikace
semene
• letalita embrya je
nezávislá na paternálním
příspěvku a dávce genu
• embryo vykazuje zvýšenou
buněčnou proliferaci na
úkor endospermu
DEMETER řídí maternální expresi genu MEDEA
Steve Jacobsen
(UCLA 2002)
DME / DME dme / DME dme / dme
abort
viabilní
GUS GFP
exprese
DME
v centrální
buňce
samičího
gametofytu
(DNA glykosyláza?)
Irreversibilní demetylace genu MEDEA
v samičím gametofytu Arabidopsis
(konvergentní evoluce se savčím imprintingem)
udržovací metylace DNA
umlčený gen MEDEA
vegetativní fáze
vývoje
embryo
dvojí oplození
spermie
vaječná buňka centrální buňka (diploidní)
samičí
gamety
demetyláza
založení exprese MEDEA v endospermu
Imprintované geny u rostlin
Gen druh exprese mechanismus funkce
MEDEA Arabidopsis maternální Polycomb remodelování chromatinu
PHERES1 Arabidopsis paternální Polycomb transkripční faktor
FWA Arabidopsis maternální DNA-metyltransferáza transkripční faktor
FIS2 Arabidopsis maternální DNA-metyltransferáza remodelování chromatinu
FIE Arabidopsis maternální ? remodelování chromatinu
AGL80 Arabidopsis maternální ? transkripční faktor
AtFH5 Arabidopsis maternální ? regulace aktinu
FIE1 kukuřice maternální DNA-metyltransferáza remodelování chromatinu
FIE2 kukuřice maternální DNA-metyltransferáza remodelování chromatinu
R kukuřice maternální ? syntéza pigmentu
… Oidipovský komplex