Generativní meristémy
a vývoj květních orgánů
Srovnání vegetativního
a generativního meristému
Huala et Sussex 1993
listové
primordium
vegetativní
meristém
generativní
meristém květní
primordium
primordia
sepalů
Velikost stonkového apikálního
meristému
• většinou malá: 50–150 μm v průměru
• cykasy nebo květenství slunečnice: 2-3 mm
Denis: www.els.net
1400Chrysanthemum segetum
100Silene coeli-rosa
70Helianthus annuus
50Arabidopsis thaliana
průměr vegetativní SAM
/um/
rostlina
Meristémy květenství
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 se přímo květy, ale také se 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)
Vývoj květního meristému
IM – meristém květenství
BM – „branch meristem“ – sekundární
meristém květenství
SM – „spikelet meristem“ – meristém
klásku
SPM – „spikelet pair meristem“
FM – květní meristém
Liu C et al. Development 2009
exprese transkripčního faktoru
AINTEGUMENTA (ANT) a
homeoboxového genu SHOOT
MERISTEMLESS (STM) v meristému
květenství Arabidopsis ve stadiu 0
Meristém květu
Ranunculus apiifolius
(J. Amerika)
R. Rutishauser, Zurych
Botanická zahrada Ženeva
Generativní meristémy
artyčok slunečnice magnólie
R. Rutishauser,
Zurych
Botanická
zahrada Ženeva
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
Aktivovaný ipt
pOp-ipt/LhG4
2 DAS
7 DAS
15 DAS
Ontogeneze SAM
Arabidopsis
Studium regulace kvetení
• faktory regulující kvetení rostlin
– vnější
– vnitřní
• mechanizmy regulace a integrace odpovědí
rostlin na jednotlivé faktory
určení doby 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 - FR UK Praha
Vnější 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 =
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 rychlé
produkce semen
Vernalizace
• česky jarovizace, angl. vernalization
• dlouhodobé působení teplot těsně nad bodem
mrazu
• požadavek na vernalizaci je častý u ozimých
(„winter – annual“) a dvouletých („biennial“)
rostlin
• může být kvalitativní nebo kvantitativní (jako
u fotoperiodizmu)
Vernalizace
• mnohdy kvetení přímo neindukuje, jen umožňuje, že
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 „pamatují“, že prošly vernalizací. Tato
paměť se předává na dceřiné buňky při mitóze, ale ne
při meióze.
• Vernalizovaný stav tedy vykazuje znaky epigenetické
dědičnosti.
Hess 1983
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
Stupně vývoje květu
(Kalthoff 1996)
vegetativní meristém
meristém květenství
květní meristém
květní orgánová primordia
diferenciace květních primordií
1.
květní geny
(flowering time)
EMBRYONIC FLOWER
2.
geny meristémové identity
LEAFY
3.
katastrální geny
4.
homeotické geny
APETALA3, AGAMOUS
SUPERMAN, CLAVATA1
Květenství a květní meristémy
http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme/
GFP vizualizace aktivity genu
AINTEGUMENTA
v listových primordiích
konfokální mikroskop
Arabidopsis
SEM meristému
pAINTEGUMENTA::GFPJ. Traas
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 meristém)
• na různých úrovních působí i
represory (např. TFL1),
které brání vykvetení příliš
mladých rostlin
květní integrátorové proteiny
LEAFY (LFY), APETALA1 (AP1), CAULIFLOWER (CAL)
AP2, a UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO)
dlouhý den vernalizace
gibereliny
autonomní
indukce
CO
FT
FLC
SOC1
AP1
LFY
JACK 2004
FRI,PIE
specifikace květního meristému
Integrace faktorů regulace kvetení
Arabidopsis
fotoperioda a kvalita světla autonomní
vernalizace dráha gibereliny
CONSTANS
LEAFY
APETALA1, APETALA3
TERMINAL FLOWER
UNUSUAL FLOWER ORGAN
WUSCHEL
AGAMOUS
SUPPRESSOR OF OVEREXPRESSION
OF CONSTANS1 (SOC1)
FRIGIDA
PHOTOPERIOD INDEPENDENT
EARLY FLOWERING (PIE)
FLOWERING LOCUS C
FLOWERING TIME
Hejátko 2005
Geny pro identitu meristému
květu u Arabidopsis
• nutné pro indukci květních orgánů
• indukce kvetení spouští expresi genů LFY, pak
AP1
• proteiny APETALA1 a LEAFY = transkripční
faktory - vazba na DNA, regulace exprese genů
Integrace faktorů regulace kvetení
Arabidopsis
Liu C et al. Development 2009;136:3379-3391
Geny identity květních orgánů
Arabidopsis
• objeveny pomocí květních homeotických mutantů
(homeotický = vztahující se ke genu
produkujícímu hlavní posun ve vývoji)
• transkripční faktory = určují specifikace a
umístění orgánů
• proteiny mají specifickou DNA vazebnou
strukturu (MADS-box)
• APETALA (AP1, AP2, AP3), PISTILATA (PI),
AGAMOUS (AG)
ABC model regulace
Nature Reviews/Genetics
geny identity květních
orgánů se překrývají
v případě mutace v určité
doméně dochází ke změně
v daném květním kruhu
ABC model regulace
netvoří plodolisty ani tyčinky,
ale jen květní obaly
geny identity květních orgánů se překrývají
chybí petaly a tyčinky
ABC model
Arabidopsis
https://www.msu.edu/course/plb/203/images/
Meristém
vizualizace exprese WUS a CLV3
WUS::ALCR alcA::GFP CLV3::ALCR alcA::GUS
http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme2/index.html
Meristém květenství a
květní meristémy – vizualizace exprese LFY, AP1
LFY::ALCR alcA::GFP LFY::ALCR alcA::GUS AP1::ALCR alcA::GFP
http://www-ijpb.versailles.inra.fr/en/bc/equipes/Meristeme2/index.html
Přehled stadií vývoje květu
u Arabidopsis
Smyth et al., Plant Cell, 2, 755-767, 1990
Stadium Charakteristický znak
١ Vznik květního základu
٢ Tvorba květního primordia
٣ Formace primordií sepalů
٤ Sepaly překrývají meristem
٥ Vznik primordií petalů a tyčinek
٦ Sepaly uzavírají pupen
٧ Zakládání nitky u primordií dlouhých tyčinek
٨ Diferenciace prašných pouzder
٩ Primordia petalů na bázi užší, rychlý růst nahoře
١٠ Petaly na úrovni krátkých tyčinek
١١ Diferenciace bliznových papil
١٢ Petaly na úrovni dlouhých tyčinek
Stadia vývoje květu
Arabidopsis
5 - vznik primordií petalů (P) a
tyčinek,
primordia delších tyčinek (LS)
primordia kratších tyčinek (SS)
6 - primordia tyčinek
vyklenutá, základ gynecea (G)
7 - zakládání nitky u primordií
dlouhých tyčinek ( )
8 - diferenciace prašných
pouzder u dlouhých tyčinek
Smyth et al. 1990
5 6
7 7
8 8
Meristém
květenství a
květu
zakládání sepalů –
periklinální dělení
abaxiální a
adaxiální sepal
zakládání petalů–
periklinální dělení (*)
Bowman 1993
2 2
3 4
5
Meristém květu Arabidopsis
iniciace gynecea *
mediální prašníky = ms
příčný řez
semeníkem –
zakládání vajíček (ov)
Bowman 1993
6
7
8 9
Vývoj květu u Arabidopsis
Roeder et Yanofsky 2006
7
The Arabidopsis Book
stadia 1 - 5
6 - začátek tvorby gynecea
7 – gyneceum jako dutý válec
6
7
Stadia vývoje květu Arabidopsis
9 - petaly nahoře širší
9
10 – velikost květu 2x větší,
petaly na úrovni kratších
tyčinek
10
11 – diferenciace
bliznových papil
11 12
12 – petaly na úrovni
delších tyčinek
Smyth et al. 1990
Vývoj květu u Arabidopsis
Roeder et Yanofsky 2006
9 - základy vajíček
vznik septa
8 – prašná pouzdra
Vývoj květu u Arabidopsis
Roeder et Yanofsky 2006
8. stadium5. stadium
11 – papily na blizně
vnitřní integument
12 – čnělka
vnější integument
13 – antheze
12 1311
gyneceum
vajíčka
Srovnání vegetativního
a generativního meristému Arabidopsis
Matsumoto et Okada
Genes & Development 2001
vegetativní meristém meristém květenství meristém květu
Meristém květenství a květu
Clark 2001
Heisler 2005
pPIN1::PIN1-GFP
Ekvivalentní květní meristémy
a geny identity orgánů
C funkcePLENA (PLE)AGAMOUS (AG)
B funkceGLOBOSA (GLO)PISTILLATA (PI)
B funkceDEFICIENS (DEF)APETALA 3 (AP3)
koregulátor LFYFIMBRIATA (FIM)UNUSUAL FLORAL
ORGANS (UFO)
represor genů identity
meristému
CENTRORADIALIS (CEN)TERMINAL FLOWER 1
(TFL1)
identita meristému;
A funkce
APETALA 2 (AP2)
identita meristému
A funkce
SQUAMOSA (SQUA)APETALA 1 (AP1)
identita meristémuFLORICAULA (FLO)LEAFY (LFY)
funkceAntirrhinumAntirrhinum
Schneitz et Balasubramanian (2001)
Regulace hranic mezi primordii orgánů
Arabidopsis
hranice mezi orgány u
Arabidopsis je
určována působením
genů CUC1, CUC2,
které jsou regulovány
mikroRNA
mutanti vykazují rozšíření hranic
mezi primordii
kontrola
mutant
hyl1_1
mutant
dcl1_9
mutant
hen1_5
hraniční marker STM::ALCR-alcA::erGFP