Huseníček rolní 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 květ gametogeneze a oplození C K A G pylové zrno pylová láčka vajíčko embryo embryogeneze semeno klíčení semenáček kořen lístky děložní hypokotyl růst a zrání týdny Arabidopsis thaliana Arabidopsis – embryonální vývoj Vývoj zygoty a časná embryogeneze krytosemenných rostlin … zygota bazální buňka terminální buňka základ embrya suspenzor časné embryo suspenzor globulární stádium stádium srdce stádium torpéda hypofýza děložní lístkykořenový meristém prýtový meristém … embryogeneze Geny embryonálního vývoje rostlin 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 ?) semenáček kotyledony prýtový meristém kořenový meristém hypokotyl kořen „ Osudové mapování “ embrya: již od globulárního stádia je možné rozlišit tři hlavní oblasti podél A – B osy oktant globular srdce torpédo 1 2 3 Veškerý postembryonální růst rostlin pochází z meristémů „Osudová mapa“ embryonálního kořenového 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 Veškerý postembryonální růst rostlin pochází z meristémů 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 kolméekvatoriální 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) Rostlinné meristémy jsou schopny regulace odstranění špičky meristému vede k regeneraci původního meristému listové primordium odstranění celého meristému vede ke tvorbě nového meristému na novém místě nový meristém 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 L2 ( i ) květen- ství 1 34 2 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 Přechod z vegetativní do generativní fáze života rostliny Květní stimul – florigen (Čajlachjan 1936) Květní stimul - Florigen Transport FT proteinu z listu do meristému Photoperiod Vernalization Autonomous pathway GA biosynthesis Fotoperioda a 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 Embryonic Flower 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 Arabidopsis thaliana katastrální geny 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 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 24 3 sepal Květní orgány jsou uspořádány v koncentrických kruzích 1 Sepal 2 Petal 3 Stamen 4 Carpel sepal petal stamen carpel sepal Identita květních orgánů je determinována na základě působení tří skupin genů - ABC A genes B genes C genes 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 ABC model B A C 1 2 3 4 Sepal (kalich) Petal (koruna) Stamen (tyčinka) Carpel (plodolist) 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) 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 MADS-boxové geny : alternativní regulátory segmentace a vývoje 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) M … MCM1 gen kvasinky A … agamous květní gen Arabidopsis D … deficiens květní gen Antirrhinum S … serum response faktor člověka Domény účinku homeotických genů ABC studované s pomocí GUS 1 Sepal 2 Petal3 Stamen 4 Carpel Exprese genů třídy B 1 Sepal 2 Petal 3 Stamen4 Carpel Exprese genů třídy B Can you guess the phenotype? B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel A Gene Mutations B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel A Gene Mutations B A C 1 2 3 4 ? ? ? ? B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel A Gene Mutations B A C 1 2 3 4 Carpel Stamen Stamen Carpel B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel A Gene Mutations B A C 1 2 3 4 Carpel Stamen Stamen Carpel B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel B Gene Mutations B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel B Gene Mutations A C 1 2 3 4 ? ? ? ? B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel B Gene Mutations A C 1 2 3 4 Sepal Sepal Carpel Carpel B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel C Gene Mutations B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel C Gene Mutations B C 1 2 3 4 ? ? ? ? A B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel C Gene Mutations B C 1 2 3 4 Sepal Petal Petal Sepal A B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel AB Gene Mutations A C 1 2 3 4 ? ? ? ? B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel AB Gene Mutations A C 1 2 3 4 Carpel Carpel Carpel Carpel B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel BC Gene Mutations A C 1 2 3 4 ? ? ? ? A B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel BC Gene Mutations A C 1 2 3 4 Sepal Sepal Sepal Sepal AA B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel ABC Gene Mutations A C 1 2 3 4 ? ? ? ? B A C 1 2 3 4 Sepal Petal Stamen Carpel ABC Gene Mutations A C 1 2 3 4 ? ? ? ? Geny třídy D a E se rovněž uplatňují v determinaci květních orgánů Kvartetový model 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 antipody oocyt centr. zár. vaku synergidy 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 mutant: symetrická zralé pylové zrno 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: embryo 3:1 (M:P) endosperm 6:1 (M:P) Paternální exces: embryo 1:3 (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 Euripides (480–406 př. Kr.) DŮKAZ TEORIE PARENTÁLNÍHO KONFLIKTU U ROSTLIN Řecká tragédie MEDEA (431 př. Kr.) … Medea zabíjí své děti za Iásonovu zradu … 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?) udržovací metylace DNA umlčený gen MEDEA vegetativní fáze vývoje embryo Irreversibilní demetylace genu MEDEA v samičím gametofytu Arabidopsis (konvergentní evoluce se savčím imprintingem) 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