Generativní meristémy a vývoj květních orgánů Srovnání vegetativního a generativního meristému Huala et Sussex 1993 Velikost stonkového apikálního meristému • většinou malé: 50–150 μm v průměru • cykasy, květenství slunečnice: 2-3 mm 1400Chrysanthemum segetum 100Silene coeli-rosa 70Helianthus annuus 50Arabidopsis thaliana vegetativní SAM,průměr /um/ rostlina Denis: www.els.net Pozice orgánů = fylotaxe • způsob uspořádání listů, šupin nebo listenů s květy na stonku rostliny • výzkum fylotaxe odpovídá na otázky: co dělá meristém jak to meristém dělá parastich = křivka spojující sousední listy ortostich = křivka spojující přímé linie http://www.els.net/ Aeonium tabuliforme Fibonacciho systém: 8 levotočivých parastichů – 2 značené červeně a 13 pravotočivých parastichů – 3 značeny oranžově žlutě = pořadí listů (137,5°) všechna spirální uspořádání jeví chiralitu 8 parastichů Pinus sp. Pozice orgánů = fylotaxe http://www.els.net/ Hofmeisterovo pravidlo (1868) • nové listy se na SAM zakládají na místě, které je nejvíce vzdáleno od předcházejícího listu Metoda pro pozorování živých meristémů Grandjean et al. 2004 Meristém květenství a květní meristémy Grandjean et al. 2004 barveno FM-64 po 31 hodinách Meristém květenství a květní meristémy Grandjean et al. 2004 po 31 hodinách různá rychlost dělení buněk SAM –podle vzdálenosti od vrcholu WUS::ALCR alcA::GFP CLV3::ALCR alcA::GUS http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme2/index.html Meristém vegetativní Časování kvetení • rostliny musí „vyhodnotit“ řadu vnitřních i vnějších faktorů • životní strategie rostliny určuje, jak každý z faktorů ovlivňuje kvetení, záleží i na podmínkách lokality • jsou rozdíly mezi druhy, ale i mezi ekotypy jednoho druhu Regulace kvetení • které faktory regulují kvetení rostlin – vnější – vnitřní • jaké jsou mechanizmy této regulace a jak jsou odpovědi rostlin na jednotlivé faktory integrovány, aby určily dobu kvetení Jak rostlina pozná vhodnou dobu ke kvetení Nespolehlivé indikátory • teplota • vzdušná vlhkost • celková úroveň osvětlení Spolehlivé indikátory • délka dne a noci (receptorem je fytochrom) mění se s ročním obdobím mění se se zeměpisnou šířkou David Honys Externí faktory regulující kvetení • fotoperioda: LD (14 – 16 hod), SD (8 – 10 hod) • spektrální složení světla (indikuje hustotu porostu - v hustém porostu je kvůli absorpci světla listy nízký poměr R:FR) • dlouhodobé působení nízkých teplot v zimě (vernalizace) • stresy (abiotické i biotické) - podle typu stresu zpomalení nebo urychlení kvetení (při urychlení zřejmě strategie vyhnutí se stresu, stress-avoidance: rostlina rychle vytvoří potomstvo a semena se rozšíří jinam, případně přečkají období nepříznivých podmínek na místě) • další signály z prostředí (úroveň minerální výživy, teplota aj.) - poměrně málo prozkoumané Kvalita světla • poměr R:FR je vnímán fytochromy (fytochrom B, A) • R složka světla je pohlcována rostlinami, FR se odráží nebo prochází • nízký poměr R:FR indukuje u řady rostlin komplex odpovědí zvaný vyhnutí se zastínění (shade-avoidance response): – hluboko vysetá semena neklíčí – „vytahování“ rostlin v hustém zápoji – urychlení kvetení = vyhnutí se stínu formou produkce semen Vernalizace • česky jarovizace, angl. vernalization • dlouhodobé působení teplot těsně nad bodem mrazu • požadavek na vernalizaci je častý u přezimujících (winter-annual) a dvouletých (biennial) rostlin • může být kvalitativní nebo kvantitativní (jako u fotoperiodizmu Vernalizace • vernalizace mnohdy kvetení přímo neindukuje, jen umožňuje, že např. vernalizované rostliny jsou následně indukovatelné ke kvetení dlouhým dnem (LD), zatímco nevernalizované zůstanou i na dlouhém dni vegetativní. Kombinace vernalizace a fotoperiodizmu je dosti obvyklá. • nízké teploty jsou vnímány v meristémech vzrostných vrcholů. Vernalizované meristémy jsou citlivé na indukční podmínky (fotoperiodu apod.) i mnoho měsíců po skončení nízkých teplot. • meristémy si tudíž „pamatují“, že prošly vernalizací. Tato paměť se předává na dceřinné buňky při mitóze, ale ne při meióze. Vernalizovaný stav tedy vykazuje znaky epigenetické dědičnosti. Hess 1983 Geny pro identitu meristému u Arabidopsis • nutné pro indukci květních orgánů • indukce kvetení spouští expresi genů LFY, pak AP1 • APETALA1 a LEAFY = transkripční faktory vazba na DNA, regulace exprese genů Systém regulace kvetení u Arabidopsis • dráhy reagující na různé podněty společně regulují několik integrátorových proteinů; ty stimulují tvorbu proteinů pro identitu meristému (nutné pro přeměnu z vegetativního na květní) • na různých úrovních působí represory (např. TFL1), které brání vykvetení příliš mladých rostlin květní integrátorové proteiny LEAFY (LFY), APETALA1 (AP1), CAULIFLOWER (CAL), AP2, and UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO) Jack 2004 Genetické dráhy kontrolující čas kvetení u Arabidopsis Levy et Dean 1998 květní integrátorové proteinyvegetativní meristém generativní meristém LFY::ALCR alcA::GFP LFY::ALCR alcA::GUS http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme2/index.html Meristém květenství a květní meristémy – exprese LFY, AP1 AP1::ALCR alcA::GFP Integrace faktorů regulace kvetení Arabidopsis Dubová et al. 2005 fotoperioda a kvalita světla vernalizace autonomní dráha hormony Interní faktory regulující kvetení • ontogenetické stáří rostliny - mnoho rostlin má do určitého stáří juvenilní fázi, kdy nejsou schopny vykvést ani za indukčních podmínek (nejsou kompetentní ke kvetení) • velikost/biomasa - např. některé víceleté monokarpické druhy (pcháče apod.) vykvetou až po překročení určité velikosti přízemní růžice - tabák (McDaniel) indukce kvetení po dosažení určitého počtu listů • hladina hormonů - hlavně gibereliny Kontrola přechodu ke kvetení u Sinapis alba Bernier et al. 1993 percepce vnímání dlouhého dne dospělými listy mobilizace škrobu a transport sacharosy floémem transport ribosidů cytokininů xylémem z kořene transport izopentenyladeninu floémem z listů do SAM iniciace prvního květního primordia za 2 dny Meristémy květenství a květu • determinantní rostlina – produkuje omezený počet fytomer a pak přechází do kvetení – časté u jednoletých rostlin • indeterminantní rostlina – apikální buňky jsou permanentní iniciály • indeterminantní meristém květenství – hrozen - např. u Arabidopsis – netvoří přímo květy, ale také netvoří listy, ale listeny a směs meristémů květenství a květů (květní meristém = nemá na bázi listen) • determinantní meristém květenství – úbor – Asteraceae Indeterminantní meristém květenství hrozen u Arabidopsis meristém květenství meristém květní (nemá na bázi listen) Irish et Sussex 1990 Srovnání meristémů Arabidopsis vegetativní meristém meristém květenství meristém květu Matsumoto et Okada Genes & Development 2001 Geny identity květních orgánů Arabidopsis • objeveny pomocí květních homeotických mutantů (homeotický = vztahující se ke genu produkujícímu hlavní posun ve vývoji) • transkripční faktory = specifikace umístění orgánů • proteiny mají specifickou DNA vazebnou strukturu (MADS-box) • AP1, AP2, AP3, PI, AG ABC model Equivalent floral meristem and organ identity genes C functionPLENA (PLE)AGAMOUS (AG) B functionGLOBOSA (GLO)PISTILLATA (PI) B functionDEFICIENS (DEF)APETALA 3 (AP3) Coregulator of LFYFIMBRIATA (FIM)UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO) Antagonizes meristem identity genes CENTRORADIALIS (CEN)TERMINAL FLOWER 1 (TFL1) Meristem identity; A function -APETALA 2 (AP2) Meristem identity; A function SQUAMOSA (SQUA)APETALA 1 (AP1) Meristem identityFLORICAULA (FLO)LEAFY (LFY) FunctionAntirrhinumArabidopsis Schneitz et Balasubramanian (2001) Meristém květenství a květní meristémy http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme2/index.html pAINTEGUMENTA::GFP Traas SEM Meristém květenství a květu Smyth et al. 1990 Clark 2001 Heisler 2005 pPIN1::PIN1-GFP Přehled stadií vývoje květu A.thaliana (Smyth et al. 1990) Plant Cell, 2, 755-767, 1990 Stadium Charakteristický znak 1 Vznik květního základu 2 Tvorba květního primordia 3 Formace primordií sepalů 4 Sepaly překrývají meristem 5 Vznik primordií petalů a tyčinek 6 Sepaly uzavírají pupen 7 Zakládání nitky u primordií dlouhých tyčinek 8 Diferenciace prašných pouzder u dlouhých tyčinek 10 Petaly na úrovni krátkých tyčinek 11 Diferenciace bliznových papil 12 Petaly na úrovni dlouhých tyčinek Stadia vývoje květu Arabidopsis 5 - vznik primordií petalů a tyčinek, primordia delších tyčinek (LS) = větší 8 - diferenciace prašných pouzder u dlouhých tyčinek 7 - zakládání nitky u primordií dlouhých tyčinek 5 6 6 - primordia tyčinek vyklenutá, základ gynecea (G) 7 7 8 8 Smyth et al. 1990 Meristém květenství a květu Bowman 1993 zakládání sepalů – periklinální dělení abaxiální a adaxiální sepal zakládání petalů – periklinální dělení * Meristém květu Bowman 1993 iniciace gynecea * mediální prašníky - ms příčný řez semeníkem – zakládání vajíček Stadia vývoje květu Arabidopsis Smyth et al. 1990 9 - petaly nahoře širší 9 10 11 12 10 – velikost květu 2x větší, petaly na úrovni kratších tyčinek 11 – diferenciace bliznových papil 12 – petaly na úrovni delších tyčinek