Základní kroky v evoluci rostlin a živočichů
 rostliny a živočichové jsou složeni z odlišných typů buněk: tyto dvě říše
divergovaly ze společného jednobuněčného eukaryotického předka
 každá říše si musela vyvinout své mechanismy buněčné
diferenciace a komunikace
 počet genů je u těchto říší obdobný: homologní i jsou do jisté míry i regulační geny
zodpovědné za vývojové mechanizmy
 obecné buněčné funkce rostlin a živočichů jsou shodné: struktura jádra,
mitózy, meiózy a základní transkripční a translační mašinérie
 regulace prostorově-časové genové exprese jsou podobné, avšak homeotické
geny kódující proteiny (se srovnatelnými vývojovými funkcemi) jsou odlišné
 některé transkripční faktory mají vysokou AMK-sekvenční homologii
(homeoboxy, MADS boxy), mají však jiné funkce
 řada buněčných procesů včetně receptorů vnějších vlivů a mezibuněčných
komunikací jsou zásadně odlišné
ROSTLINY A ŽIVOČICHOVÉ aneb LOGIKA VÝVOJE
VÝVOJOVÉ PROCESY U ROSTLIN A ŽIVOČICHŮ
VÝVOJOVÉ PROCESY U ROSTLIN A ŽIVOČICHŮ
zárodečná dráha zárodečné buňky vznikají segreguje od somatické
ze somatických v pozdním vývoji v časné embryogenezi
VÝVOJOVÉ PROCESY U ROSTLIN A ŽIVOČICHŮ
zárodečná dráha zárodečné buňky vznikají segreguje od somatické
ze somatických v pozdním vývoji v časné embryogenezi
oplození dvojité ( zygota a endosperm ) jednoduché
VÝVOJOVÉ PROCESY U ROSTLIN A ŽIVOČICHŮ
zárodečná dráha zárodečné buňky vznikají segreguje od somatické
ze somatických v pozdním vývoji v časné embryogenezi
oplození dvojité ( zygota a endosperm ) jednoduché
haploidní fáze několikabuněčný gametofyt pouze gamety
VÝVOJOVÉ PROCESY U ROSTLIN A ŽIVOČICHŮ
zárodečná dráha zárodečné buňky vznikají segreguje od somatické
ze somatických v pozdním vývoji v časné embryogenezi
oplození dvojité ( zygota a endosperm ) jednoduché
haploidní fáze několikabuněčný gametofyt pouze gamety
imprinting ovlivňuje vývin endospermu zásadně řídí embryogenezi
VÝVOJOVÉ PROCESY U ROSTLIN A ŽIVOČICHŮ
zárodečná dráha zárodečné buňky vznikají segreguje od somatické
ze somatických v pozdním vývoji v časné embryogenezi
oplození dvojité ( zygota a endosperm ) jednoduché
haploidní fáze několikabuněčný gametofyt pouze gamety
imprinting ovlivňuje vývin endospermu zásadně řídí embryogenezi
diferencované buňky totipotentní osud progresivní a ireverzibilní
VÝVOJOVÉ PROCESY U ROSTLIN A ŽIVOČICHŮ
zárodečná dráha zárodečné buňky vznikají segreguje od somatické
ze somatických v pozdním vývoji v časné embryogenezi
oplození dvojité ( zygota a endosperm ) jednoduché
haploidní fáze několikabuněčný gametofyt pouze gamety
imprinting ovlivňuje vývin endospermu zásadně řídí embryogenezi
diferencované buňky totipotentní osud progresivní a ireverzibilní
tělní plán založen až při postembryonálním vytvořen již v embryu,
vývinu meristému, vliv prostředí vývojový program determinován
v
v v
v
v
VÝVOJOVÉ PROCESY U ROSTLIN A ŽIVOČICHŮ
zárodečná dráha zárodečné buňky vznikají segreguje od somatické
ze somatických v pozdním vývoji v časné embryogenezi
oplození dvojité ( zygota a endosperm ) jednoduché
haploidní fáze několikabuněčný gametofyt pouze gamety
imprinting ovlivňuje vývin endospermu zásadně řídí embryogenezi
diferencované buňky totipotentní osud progresivní a ireverzibilní
tělní plán založen až při postembryonálním vytvořen již v embryu,
vývinu meristému, vliv prostředí vývojový program determinován
tvorba tvarů podobné vývojové principy včetně specifikace osy, založení
vývojových kompartmentů, homeotické geny zajišťují poziční identitu
VÝVOJOVÉ PROCESY U ROSTLIN A ŽIVOČICHŮ
zárodečná dráha zárodečné buňky vznikají segreguje od somatické
ze somatických v pozdním vývoji v časné embryogenezi
oplození dvojité ( zygota a endosperm ) jednoduché
haploidní fáze několikabuněčný gametofyt pouze gamety
imprinting ovlivňuje vývin endospermu zásadně řídí embryogenezi
diferencované buňky totipotentní osud progresivní a ireverzibilní
tělní plán založen až při postembryonálním vytvořen již v embryu,
vývinu meristému, vliv prostředí vývojový program determinován
tvorba tvarů podobné vývojové principy včetně specifikace osy, založení
vývojových kompartmentů, homeotické geny zajišťují poziční identitu
morfogeneze buněčný pohyb či lokomoce nejsou, relativní pohyb buněk (gastrulace)
závisí na rovině a rychlosti dělení buněčná migrace (zárodečné buňky)
VÝVOJOVÉ PROCESY U ROSTLIN
(1) rigidní buněčná stěna (celulóza) brání migraci buněk i lokomočnímu pohybu
(2) vývoj ovlivněn environmentálními faktory, vznikají fyziologické i genomové adaptace
(3) formy těla vznikají na základě rozdílů v rychlostech buněčného dělení a buněčným dělením
v odlišných rovinách
(4) veškerý postembryonální růst (včetně tvorby orgánů) pochází z meristémů (kmenové buňky)
(5) nemají pravou zárodečnou dráhu, tranzice vývoje vegetativního na generativní
(6) výrazný regulativní vývoj, mezibuněčnými signály jsou mj. nízkomolekulární hormony
(7) cytoplazmatické kanálky (plasmodesmata) spojují sousední buňky skrze stěny
(8) jedním z mechanismů diferenciace je i asymetrické buněčné dělení
(9) jakákoli buňka dává vznik novému jedinci – totipotence: únik z determinovaného stavu?
(10) dvě nezávislé skupiny strukturně odlišných homeotických genů odpovídají za specifikaci
květních částí (MADS-boxové) a stonku i listů (homeoboxové), kolinearita genů neplatí
DIVERZITA ROSTLIN
… jednobuněčná
zelená eukaryota :
Chlamydomonas
a Volvox
Chlamydomonas reinhardtii
• eukaryotická, ale jde s ní manipulovat mikrobiologickými
technikami
• snadná kultivace – fotosyntetická či heterotrofní
• mobilní, vykazuje rysy jednoduchého chování
• lze pěstovat v synchronní či asynchronní kultuře
• má rychlý mitotický cyklus, podrobuje se pohlavnímu
rozmnožování
• propracovaná genetika – jaderné, plastidové i
mitochondriální genomy mají vhodné markery
• všechny tři genomy mohou být transformovány
• dostupné knihovny mutantů a klonů DNA
• možné skladování v tekutém dusíku
životní cyklus
Chlamydomonas
aktivace gamet
uvolnění
buněčných stěn
aktivace kopulačních
struktur
vegetativní buňky zygota (2n) buněčná fúze
meióza
mt- mt+
asexuální reprodukce
vegetativní buňky
mt- mt+
beznitrátové médium
gametogeneze
mt- gamety mt+ gamety
adheze bičíků
fúze kopulačních
struktur
Evoluce mnohobuněčných organizmů
Chlamydomonas
Gonium
Pandorina
Eudorina
Pleodorina
Volvox
 studium ontogeneze a fylogeneze mnohobuněčnosti a buněčné diferenciace
 základní tělní plán: asi 2000 biflagelátních somatických buněk a 16 asexuálních reprodukčních buněk ( gonidia )
 diferenciace je buněčně autonomní
 centrálním rysem diferenciace je asymetrická mitóza ( cell size determines cell fate, large vs. small )
 buněčná stěna Chlamydomonas se vyvinula ve strukturovanou extra-celulární glykoproteinovou matrix, která spojuje
buňky do kolonie (spheroid)
 bičíkaté somatické buňky ( specializované k pohybu, fototaxi a chemotaxi ) se podrobují programované smrti
 neobvyklá kombinace rostlinných ( fotoautotrofie ) a živočišných ( pohyb a časná diferenciace zárodečné dráhy ) znaků
 pozorování Antoni van Leeuwenhoeka (1700), kultivace in vitro a životní cyklus - Bill Darden (1966), identifikovány
odlišné sexuální formy
 asexuální životní cyklus řízen světlem, trvá 2 dny a vzniká 16 nových jedinců → izogenní linie
 nepohlavní embryo tvořené na konci rýhování má už své vlastní somatické a zárodečné buňky
 pohlavní reprodukce je iniciována teplem, které vyvolá syntézu glykopro-teinového feromonu v somatických buňkách:
dormantní diploidní zygota
 vrchol „volvocinní“ větve zelených řas, jednobuněčná bičíkatá Chlamydomonas, koloniální Eudorina a Pleodorina,
buněčně diferencovaný Volvox
Vlastnosti modelu váleče
David L. Kirk
St. Louis
Antoni van Leewenhoek
(1632-1723)
asexuální životní cyklus váleče ( Volvox globator )
- asymetrická mitóza definuje zárodečnou dráhu
- 16 gonidií a asi 2 000 bičíkovců, programovaná smrt
velké buňky malé buňky
gonidia somatické buňky
somatické reprodukční
funkce funkce
regA lag
vypnut vypnut
asymetrická
buněčná dělení
zralé gonidium
symetrická buněčná dělení
32-buněčné embryo
Model řízení diferenciace zárodečné dráhy u Volvox
geny gls způsobují asymetrické dělení vedoucí ke tvorbě velkých (geny lag
zapnuty, regA vypnuty) a malých buněk (regA zapnuty, lag vypnuty)
Acetabularia : jednobuněčný model regenerace a
posttranskripční regulace
Acetabularia
acetabulum
reprodukční
čepička
cysty
klidová cysta
klíčící cysta
jádro
konjugace
zygota
2 dny
8 dnů
60
dnů
jádro
rhizoid
verticilie
čepička
Řízení diferenciace na úrovni translace
rozříznutí stonku
RNáza aktinomycin Ddegradace inhibice
mRNA transkripce
odstranění
RNázy (neodstranění aktinomycinu)
regenerace regenerace
z fragmentu pouze z
s jádrem enukleované části
Vliv stávající cytoplasmy a syntézy nových
mRNA na morfologii regenerované čepičky
Acetabularia
mediterranea
Acetabularia crenulata
dekapitace
transplantace
rhizoidů s jádry
„vegetativní
hybridy“
chaluhy
mnohobuněčné nižší rostliny :
stěna
vajíčko
rhizoid
receptákule
(plodnice)
konceptákule
(s gametami)
vzduchové měchýřky
stélka
budoucí
stélka
stěna
vajíčko
bazální buňka
apikální buňka
budoucí
rhizoid
rhizoid
receptákule
(plodnice)
konceptákule
(s gametami)
vzduchové měchýřky
Životní cyklus modelové mnohobuněčné řasy: Fucus vesicolus
Fucus: model studia polarity zygoty světlo stélka
rhizoidpolarizace
zygoty
A
B
odstranění bazální buňky vede k deleci rhizoidu
zbytky bazální buňky umožňují vznik pseudorhizoidu
gravitace
játrovka
Y
n = 8A + X
n = 8A + Y
Marchantia polymorpha
porostnice mnohotvará (dvoudomá)
Mechy – zkrutek
Physcomitrium patens
Physcomitrium patens
n = 27 chrs, C = 0,46 pg DNA
haploidní „tělo“
cílená integrace genů
zelený model 21. st.
meiosa (homo)
spóry prvoklíček
gametofor s rhizoidy„jednodomý mech“
archegonia
antheridiasamičí a
samčí
gamety splývají
v zygotu
diploidní fáze
sporofyt
životní cyklus
jednodomého mechu
Životní cyklus jednodomého mechu Physcomitrella patens
Didier G. Schaefer
U de Lausanne
2n
n
meiósa
fúze
Izolace mutací s fenotypovým projevem
Ceratopteris richardii
„C-fern“
kapradina rohatec
n = 39 chrs, C = 10 pg
model hormonální sex-determinace (feromon ceratopterin)
homospóry
gametofyt, prokel
(autotrofní, jednodomý)
antheridium, pelatky
(samčí pohlavní orgán)
archegonium, zárodečníky
(samičí pohlavní orgán)
obrvená spermie
OPLOZENÍ
oocyt
kanál
GAMETOFYT ( n )
SPOROFYT ( 2n )
zygota
embryo
starý gametofyt
mladý sporofyt list
výtrus-
nice
výtrus-
nice
MEIÓSA
DIPLOIDNÍ SVĚTDIPLOIDNÍ SVĚT
řasy houby mechy kapradiny kvetoucí rostliny
HAPLOIDNÍ SVĚT
nahosemenné rostliny
… Pinus taeda, Picea abies
C > 15 pg DNA !
krytosemenné rostliny
dvojděložné
Střídání
generací u
krytosemen-
ných
rostlin
ZYGOTA
embryo
(uvnitř semene
a plodu)
rostlina
(stonek, kořen, listy)
květ
samčí tyčinky
samičí pestíky
MEIOSA
mega- mikro-
sporogeneze
haploidní spory
spermie
SPOROFYT ( 2n )
maternální
integumenty
DVOJÍ
OPLOZENÍ
SAMIČÍ GAMETOFYT SAMČÍ GAMETOFYT
buňka
vaječná
( zygota)
centrální jádro
( endosperm)
GAMETOFYT ( n )
Rostliny mají
segmentované
tělo:
FYTOMERY
kořenový
meristem
primární
kořen
boční
PRÝT
KOŘEN
základní pletivo
cévní svazky
semena,
plody
uzlina
internodium
uzlina
úžlabní
pupen
epidermis květ
apikální
meristem
list
Tabák
…a další rostliny z
čeledi Solanaceae
pleiotropní účinky, tvořeny v jednom pletivu a
transportovány do jiného
nízká koncentrace, velké účinky
- 6 g auxinu / 1 kg ananasu
- jehla na 20 metrů krychlových sena
Růstové faktory rostlin či fytohormony
funkce jako stimulátor
- pozitivní či negativní účinek
stejné hormony mohou vyvolávat odlišné reakce –
rozdíly v citlivosti
Řízená organogeneze
ve tkáňové kultuře
tabáku
explantát
živný
agar
žádný růst kalus kořeny prýty
auxin 0 vysoká vysoká nízká
cytokinin 0 vysoká nízká vysoká
Folke Skoog
(1908-2001)
Hlavní skupiny rostlinných hormonů
Růstové regulátory rostlin s pleiotropními účinky:
cytokininy – hormony dělení buněk a mladosti
Ric Amasino
(Wisconsin 1995)
promotor SAG isopentenyl transferáza
senescence cytokininy
Apikální dominance řízená auxinem
auxin tvořený v apikálu se šíří stonkem
dolů, inhibujíce vývin úžlabních pupenů
koncentrace auxinu klesá směrem dolů,
kde axilární pupeny se uvolňují z inhibice a
vytvářejí laterální prýty
apikální meristém dekapitace
inhibice
vývin
vývin
ROSTLINNÉ BUŇKY JSOU TOTIPOTENTNÍ
Reprodukce bez sexu - klonování
vegetativní množení in vitro provázeno somaklonální variabilitou
TOMATO + POTATO = POMATO
rajče brambor brajče
Agrobacterium
Ti-plazmid
bakterie
rostlinná
buňka
T-DNA
bakt. chr.
crown-gall
či
hairy-roots
rostl. chr.
T-DNA
Agrobacterium tumefaciens
Agrobacterium cell Plant cell
pTi
T-DNA
vir
virG
virG
virA
virE2
virB
virB
virB
virD2
virD2T-DNA
virE2
virE2 virD2
ssT-DNA
P
NPC
?
Tinland et al., 1995
Pitzschke and Hirt, 2010
virD1
VIP
Nicotiana benthamiana
Petunia
Lotus japonicus
Antirrhinum majus
Hledík – model
květního vývoje
Linaria
Carl Linnaeus Jean-Baptiste Lamarck Charles Darwin Enrico Coen
(1707–1778) (1744–1829) (1809–1882) (1999)
Vznik a dědičnost rostlinných monster: (epi)mutace
metylace?
Linnaeus … pelorie u lnice, historicky první
doložená mutace? (1744)
Lamarck … dědičnost získaných znaků
(Philosophie Zoologique 1801)
Darwin … křížení normálních a pelorických forem
v F2 127:37 (Variation of Animals and Plants
under Domestication 1868)
Coen … hypermetylace homologu genu cycloidea
Meiotický přenos epigenetického stavu (fenotypu)
aneb environmentální indukce dědičných změn
- genotrofy u lnu (vliv podnebí a hnojení na větvení)
bez hnojení bez hnojení
F1, F2, …
hnojení bez hnojení
F1, F2, …wt
F0
F0
LIN specific sequence
„Ice Plant“
Mesembryanthemum crystallinum
( kosmatec krystalový, 2děložné, ř. Caryophyllales )
- studium abiotického stresu, odolnosti vůči soli, fotosyntézy
- v různých fázích života a za odlišných vnějších okolností mění morfotyp
i fyziologii
- model flexibility
- C = 0,39 pg DNA,
n = 9 chrs
semenáček, fotosyntéza C3,
sukulentní kotyledony,
nízká tolerance k NaCl,
jádra 2C
juvenilní, fotosyntéza C3,
vyšší tolerance k NaCl,
velké primární listy,
jádra 2C-16C
dospělá, přechod fotosyntézy z C3 na CAM, vysoká
tolerance k NaCl, měchýřkové buňky,
velké primární listy,
jádra 2C-32C
kvetoucí, fotosyntéza CAM, měchýřkové buňky,
vysoká tolerance k NaCl, malé sekundární listy, jádra
2C-64C
semena-plodící, fotosyntéza CAM, jen měchýřkové
buňky, vysoká tolerance k NaCl, žádné listy, jádra
2C-256C
epidermální měchýřkové buňky
(epidermal bladder cells)
jádra 256C
dospělá rostlina
po 2týdenním solném stresu,
dosud velké primární listy
John Cushman
Nevada
dospělá rostlina
po 5týdenním solném stresu,
tvoří úzké sekundární listy
Craterostigma
plantagineum
(Scrophulariaceae,
dvojděložné)
- studium tolerance
k desikaci
(znovuvzkřížení)