Cytologie a anatomie pro pokročilé
aneb
Úvod do rostlinné embryologie
Jaroslava Dubová
Životní cykly u rostlin
Rodozměna
Semeno a jeho klíčení
Vývoj klíční rostlinky
OBORY ANATOMIE ROSTLIN
• popisná - nejstarší, základní popis struktur
• systematická - struktura pletiv pro jednotlivé taxony rostlin
• srovnávací - odlišnosti anatomické stavby mezi různými taxony
• vývojová - histogeneze jednotlivých pletiv a orgánů
• fyziologická - vztah struktury k její funkci
• ekologická - vliv vnějších podmínek na utváření vnitřních struktur
• experimentální - reakce na změny vnějšího i vnitřního prostředí
• patologická - vliv predátorů a patogenů na uspořádání pletiv
Speciální obory anatomie:
farmakognozie, anatomie dřeva, anatomie krmiv, studium
morfogeneze a regenerace in vitro, …
Rozmnožování u rostlin
– vegetativní rozmnožování (amixis)‫‏‬
• fragmentace
• cibulky, hlízky
• rhizomy
– generativní rozmnožování (amfimixis) - specializované
struktury - vývoj pohlavních buněk + mechanismus
zajišťující jejich fůzi
– apomixis - zvláštní varianty rozmnožování- „vegetativní
množení z generativních orgánů“ - semena jsou tvořena
z různých pletiv vajíčka bez oplození
Bryophyllum daigremontianum
Ontogeneze rostlin
zygota
vegetativní fáze generativní fáze
senescencesenescence
smrt
embryonální
fáze
přechodné
období
meiosis
spory
gametofyty
samčí gameta
samičí gameta
zygota
Fáze rodozměny u rostlin
• sporofyt - 2n = diploidní generace produkující spory
• gametofyt - 1n = haploidní generace produkující samčí
nebo samičí pohlavní buňky (gamety), jejichž splynutím
vzniká zygota
• životní cyklus = střídání fází = rodozměna
Rodozměna u
mechorostů
oplození
Meiosis
embryo i zralý sporofyt
jsou závislé na
fotosyntéze gametofytu
Gametofyt
S
Rodozměna
u kapradin
Meiosis
oplození
GS
sporofyt i gametofyt
je schopný fotosyntézy
prokel
Sporofyt
Meiosis
oplození
G
Rodozměna u
krytosemenných
rostlin
gametofyty jsou velmi
redukované a závislé
na fotosyntéze sporofytu
Embryo nahosemenných rostlin
podélný řez semenem modřínu Larix dexidua (L.)MILL.
haploidní
megagametofyt
(primární endosperm)‫‏‬
SAM
„RAM“
hypokotyl
dělohy
embryo
parafínový řez, barveno Heidenheinovým železitým hematoxylinem
(osemení odstraněno před procedurou)‫‏‬
kořenová čepička
zbytek
nucelu
Příklad semene krytosemenných rostlin
s endospermem v době zralosti embrya
Schéma stavby semene Nicotiana rustica
Nicotiana tabacum L.- embryo v semeni
dělohy
hypokotyl
endosperm
osemení
radikula
Semena
• osemení pro zabránění vysychání a jako mechanická
ochrana
• mnohobuněčné embryo se založenými
meristematickými pletivy pro stonek a kořeny
• zásobní látky (v endospermu nebo dělohách a
hypokotylu):
• tuky - zásoba energie a ochrana proti hnilobě
• škrob - po rozštěpení poskytuje energii nutnou pro
rychlý příjem vody při klíčení
Rostliny mají vyvinuté efektivní evoluční adaptace, které
jim umožňují přežít nepříznivé podmínky počasí.
Klasifikace pletiv podle původu:
(Nägeli 1858)
pletiva dělivá (meristémy)
• parenchym (buňky izodiametrické, protáhlé, destičkovité) nebo
prosenchym (buňky protáhlé na koncích zašpičatělé)
• buňky malých rozměrů s velkým jádrem, tenkou buněčnou stěnou
a s hustou cytoplazmou
• bez intercelulár
difúzní (v rané fázi vývoje celá rostlinná embrya = protomeristém –
iniciály apikálních meristémů, dává vznik 3 primárním
meristémům)
lokální (jen malá část pletiv, specifická poloha v rostlině)
primární meristém - [dermatogen, periblem, plerom]
protoderm, základní meristém, prokambium
sekundární meristém – dediferenciace buněk trvalých pletiv
(kambium, felogen)
latentní meristém – přetrvávající meristém (pericykl/perikambium)
1. dělivá
2. trvalá
Klasifikace meristémů podle polohy
• apikální meristém (vzrostný vrchol stonku,
axilární meristémy)
• subapikální meristém (vzrostný vrchol kořene)
• laterální meristém (kambium, felogen)
• interkalární meristém (meristém kořenové
čepičky, báze listů, kolénka trav, přesličky)
Lokalizace primárních meristémů
podélný řez apexem
stonku Coleus
Příklad semene s endospermem
v době zralosti embrya
Papaver somniferum L.
Příklad semene bez endospermu
v době zralosti embrya
Schéma podélného řezu semenem
Arabidopsis thaliana
http://www.lvdayschool.com/whatshappening2/sprin
g/arabidopsis-4.gif
Schéma podélného řezu semenem
Capsella bursa-pastoris
Primární meristémy – založeny již v embryu
starší torpédovité embryo zralé embryo
http://botit.botany.wisc.edu
SAM
RAM
embryonální
osa =
hypokotyl
dělohy
Plody a semena
Epilobium
Ninteenth Place,
2007 Nicon Competition
Viktor Sykora
Daucus
Honorable Mention,
2006 Competition
Viktor Sykora
Clematis
Seventh Place,
2006 Competition
Viktor Sykora
Kviescence x dormance
• kviescence = latence, inaktivní stav klidu,
odpočinku
• dormance (z lat. dormans, spící) je souhrnné
označení pro přechodné zastavení nebo omezení
fyziologických procesů v živých organismech.
• Hlavní význam je v úspoře energie, která pomáhá
organismu nepříznivé období přežít. Může být
vyvolána geneticky i vnějšími vlivy, zejména
nepříznivým počasím.
Dormance u rostlin
• preventivní zastavení růstu v nepříznivém období roku.
Je řízena biologickými „hodinami“ a reaguje na teplotu,
zkrácený sluneční svit nebo nízké vodní srážky.
– vernalizace je dormance rostlin, kterou lze na
dlouhou dobu potlačit například umělým osvětlením.
Pokud se však dormance potlačuje příliš dlouho,
rostlina uhyne.
– dormance semen znamená inhibici klíčení, i když
jsou pro ně vhodné podmínky. Zahrnuje jednak
vnitřní (genetickou) inhibici klíčení, jednak vnější
inhibici neprodyšným osemením.
Požadavky pro klíčení
• quiescence
• dormance
všechna semena potřebují:
• přiměřenou zásobu vody
• vhodnou teplotu
• přítomnost kyslíku
Speciální požadavky pro klíčení :
• zmrznutí – přispívá k otevření osemení
• horko nebo kouř z ohně
• abrasivní působení písku
• hydrolyzační působení v zažívacím traktu živočichů
Klíční rostlina x semenáček (seedling)
• kořen se vždy vyvíjí jako první a roste směrem dolů do půdy
• pak vyrůstá ze semene stonek (hypokotyl) a vynáší při
epigeickém klíčení nad povrch půdy děložní listy, které
hledají světlo
• chloroplasty v buňkách stonku a listů rychle dozrávají -
zelenají
pukání
osemení
pukání
endospermu
prodlužování
embryonální
osy
tvorba
kořenového
vlášení
růst
kořene a
hypokotylu
zelenání
rozložení
děloh
autotrofní
rostlinka
stadia klíčení
Klíčení rostlin
nadzemní = epigeické
cibule, fazol
podzemní = hypogeické
kukuřice, hrách
Primární apikální meristémy
Princip zachování embryonálního
charakteru meristému:
část buněk meristému nenastoupí cestu
diferenciace, ale zachovává si dělivou
schopnost po celou dobu existence
vegetativního meristému
kmenové buňky (stem cells) =
dělivé, nediferencované buňky; dříve iniciály
u SAM = OC (organizační centrum)
u RAM = QC (klidové /quiescent/ centrum)
Zonace SAM meristémů
Traas et Vernoux 2002
137,5°
dělení
meristému
do zón
dělení
meristému
do vrstev
fylotaxe v meristému květenství
Podélný řez vegetativním SAM
Arabidopsis
zóny:
centrální zóna (CZ),
periferální zóna (PZ)
žebrový meristém (rib zone RZ)‫‏‬
Laux and Schoof (1997)
centrální zóna je identifikována
relativně slabším barvením cytoplasmy
a menší intenzitou buněčného dělení
vrstvy: L1,L2,L3
Současná definice kmenových buněk
dělivé buňky („klonogenní
prekursory“), jejichž
dceřinné buňky mohou
zůstat kmenovými buňkami
nebo jdou do diferenciace
dříve užívaný název:
iniciály
Po cytokinezi si jedna dceřinná buňka zachová charakter
buňky kmenové a druhá nastoupí diferenciační dráhu.
Orientace buněčného dělení
a morfogeneze
antiklinální
dělení
periklinální
dělení
uvnitř
orgánu
vně
orgánu
povrch
orgánu
kmenovkmenováá bubuňňkaka kmenovkmenováá bubuňňkakakmenovkmenováá bubuňňkaka
dcedceřřinináá bubuňňkaka
korovkorováá bubuňňkaka
endodermendodermáálnlníí bubuňňkaka
Srovnání SAM a RAM Arabidopsis
Laux 2003
gen WUSCHEL udržuje pluripotenci kmenových buněk
CLAVATA3 omezuje vznik nadměrného počtu kmenových
buněk a řídí jejich přechod do organogenních zón
gen WUS je negativně regulován proteinem CLAVATA.
QC
Evoluce: 3 základní typy SAM
• jedna apikální buňka = nejprimitivnější – řasy, Equisetum
• cyto-histologická zonace - Pinus, Ginkgo
– povrchové apikální iniciály
– centrální mateřské buňky
– přechodná zóna
– žebrový meristém
• tunika-korpus - u všech krytosemenných a pokročilých
nahosemenných rostlin - četné apikální iniciály ve vrstvách
- jedna nebo více vrstev povrchových iniciál = tunika
(antiklinální dělení buněk), korpus = spodní vrstvy
meristému (antiklinální i periklinální dělení buněk)‫‏‬
Jednobuněčné apikální meristémy
jedna iniciála
stonkový apikální meristém Equisetum
meristém
červené řasy
tvořený jedinou
apikální buňkou
(AC).
www.els.net
AC
Podélný řez
apexem stonku
Elodea
canadensis
Stonkový apikální meristém
Coleus
Begonia rex SAM
periferní meristém
listová primordia
kmenové buňky
žebrový meristém
tunika
korpus
Arabidopsis
SAM a listová
primordia
Vliv auxinů na vývoj SAM Arabidopsis
pozice i vývoj
primordií je určován
gradientem auxinu
auxin je dopravován
do vrcholu a pak
kanalizován
bazipetálně
aktivita PIN1
Petrášek a Friml 2009
Vliv cytokininů na vývoj SAM
Arabidopsis
Werner et al. 2003
35S:AtCKX1kontrola
snížení obsahu cytokininů
na 30- 40% kontroly)‫‏‬
a) netransformovaná kontrola
WT Columbia 0
b) linie 2H2 x 14/1-C
s aktivovanou expresí ipt
zvýšení obsahu cytokininů
c) aktivátor 35S::LhG4
14/1-C
d) neaktivovaný pOp::ipt
reportérová rostlina 2H2
po 15 DC
úsečka = 50 μm
a b
c d
DP H. Kratochvílová
Vliv cytokininů na
vývoj SAM
Arabidopsis
3 primární pletiva
produkty dělení buněk apikálních meristémů
diferencují na 3 typy primárních pletiv, která
dalším buněčným dělením a diferenciací tvoří
vlastní rostlinné orgány
* protoderm
* základní meristém
* prokambium
Protoderm a krycí pletiva
protoderm dozrává v epidermis = zploštěná vrstva pokrývající
všechny rostlinné orgány
některé epidermální buňky se specializují:
svěrací buňky průduchů (guard cells) (vždy v párech) - výměna
plynů a vodní páry
kořenové vlásky (root hairs) emergence ze specializovaných
epidermálních buněk (trichoblastů) – zóna v blízkosti kořenové
špičky, zvětšení absorpční plochy kořene
trichomy
• epidermis listů produkuje vosk kutin - kutikula
• epidermis stonků a kořenů vytváří při sekundárním tloustnutí
suberin
Základní meristém diferencuje
ve tři typy pletiva
parenchym – buňky většinou sférické nebo mírně protáhlého tvaru
(prozenchym, s tenkými stěnami a velkými intercelulárami)
výplňové, asimilační, zásobní i ránové pletivo
kolenchym – nerovnoměrně ztloustlé buněčné stěny – pevný, ale
pružný = podpůrné pletivo neomezující růst, lignin chybí.
sklerenchym – schopnost vytvářet masivní sekundární buněčnou
stěnu obsahující lignin, dospělé buňky jsou mrtvé
vytváří buď dřevní elementy (tracheidy a tracheje), pevná
podpůrná vlákna (fibers), kamenné buňky (sklereidy) – běžné v
osemení
Prokambium
produkuje:
• primární xylém (protoxylém, metaxylém)
• primární floém
• kambium (sekundární meristém důležitý pro
sekundární růst)‫‏‬
produkuje:
sekundární xylém (deuteroxylém)
sekundární floém
Primární xylém
v době zralosti mrtvé tracheidy (cévice) a tracheje
(cévy) tvořené z cévních elementů
tvoří dutý, kontinuální systém vedoucí vodu
z kořenů k listům
všechny cévnaté rostliny vytvářejí tracheidy,
dlouhé, štíhlé buňky se zkosenými konci
ztenčeniny (tečky) po stranách a na konci buněk
umožňují proudění vody z buňky do buňky
tracheje - cévy (z cévních elementů) vytvářejí
pouze rostliny krytosemenné
kratší a širší buňky se spojují svými konci a tvoří
trubice, přepážky mezi buňkami většinou chybí,
tečky umožňují laterální pohyb vody
cévice
céva
Tracheidy - cévice
Vodivé elementy dřevní části rostlinných
pletiv (xylému) - schodovitě zesílená cévice
(tracheida) metaxylému hasivky orličí
(Pteridium aquilinum).
Foto V. Vinter
Různé typy tloustnutí sekundární
buněčné stěny cév
protoxylém metaxylém
cévní elementy
Primární floém
živé pletivo - aktivní transport a hromadný tok cukrů
a jiných živin
složité pletivo s dvěma hlavními komponentami:
• sítkové elementy – vlastní vodivá funkce
• doprovodné buňky – zajišťují energii a metabolické
potřeby pro sítkové buňky, mají tedy svůj podíl na
vedení živin
Stavba
hypokotylu
Essau 1966
přechod od radiálního
uspořádání CS v kořeni
ke kolaterálním CS
ve stonku a listech
stadia klíčení
semene lnu