Meristémy
Definice a klasifikace
Vegetativní meristémy
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 = sekundární tloustnutí stonků a kořenů
latentní meristém – přetrvávající meristém (pericykl/perikambium)
1. dělivá
2. trvalá
Definice meristému
dělivé pletivo - v raném vývoji embrya se dělí všechny buňky
(protomeristém)
později je dělení buněk omezeno pouze na malé oblasti, ve
kterých si buňky zachovávají embryogenní charakter a
schopnost dělení (apikální meristémy = primární meristémy)
apikální meristémy začínají svou aktivitu po ukončení
embryonálního vývoje
jejich činností vznikají nové buňky, které po diferenciaci
vytvářejí rostlinné tělo
sekundární meristémy – kambium (produkce sekundárního
xylému a floému) a felogén (tvorba sekundárních krycích
pletiv)
Klasifikace vegetativních meristémů
podle polohy
• apikální meristém (vzrostný vrchol stonku)
• subapikální meristém (vzrostný vrchol kořene)
• laterální meristémy (kambium, felogen)
• interkalární meristém (meristém kořenové čepičky, báze
listů, kolénka trav, přesličky)
Primární meristémy – založeny již v embryu
starší torpédovité embryo zralé embryo
http://botit.botany.wisc.edu
SAM
RAM
embryonální
osa =
hypokotyl
dělohy
Lokalizace primárních meristémů prýtu
podélný řez apexem
stonku Coleus
http://www.esb.utexas.edu/mauseth
/weblab/webchap6apmer/6.1-1.htm
Charakteristika meristematických buněk
• malé, izodiametrální buňky
• tenká buněčná stěna
• velké jádro (jádro-plasmový poměr)
• velká hustota protoplastu – malé vakuoly
Prýtový apikální meristém
Coleus
patrný charakter meristematických buněk
Primární apikální meristémy
Princip zachování embryonálního
charakteru meristému:
část buněk nenastoupí cestu
diferenciace, ale zachovává si dělivou
schopnost po celou dobu existence
vegetativního meristému
kmenové buňky (stem cells)
= nediferencované buňky; dříve iniciály
Po rozdělení si jedna dceřiná 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
3 základní typy SAM
• jedna apikální buňka = nejprimitivnější – řasy, Equisetum
• cyto-histologická zonace – borovice (Pinus), jinan (Ginkgo)
– povrchové apikální iniciály
– centrální mateřské buňky
– přechodná zóna
– žebrový meristém
• tunika-korpus - u všech krytosemenných a nejpokročilejších
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
prýtový apikální meristém
přesličky (Equisetum)
meristém
červené řasy
tvořený jedinou
apikální buňkou
(AC).
www.els.net
AC
Prýtový apikální meristém
nahosemenné rostliny
cyto-histologická zonace apikálního meristému
Ginkgo - jinan Pinus - borovice
Zonace meristémů
Traas et Vernoux 2002
dělení meristému
do zón
dělení meristému
do vrstev
tunika: vnější vrstva(y), buňky
se dělí antiklinálně
korpus: vnitřní vrstvy se dělí
antiklinálně nebo periklinálně
Podélný řez vegetativním SAM
Arabidopsis
zóny:
centrální zóna (CZ),
periferální zóna (PZ)
žebrový meristém (rib zone RZ)
Laux a Schoof (1997)
CZ je identifikována svým relativně
slabým barvením cytoplasmy a nízkým
stupněm dělení buněk
vrstvy: L1,L2,L3
Begonia rex SAM
periferní meristém
listová primordia
kmenové buňky
žebrový meristém
tunika
korpus
Arabidopsis
SAM a listová
primordia
Prýtový meristém šalvěje (Salvia)
podélný řez
příčný řez
Podélný řez
apexem stonku
Elodea
Prýtový apikální meristém („SAM“)
• založený v průběhu embryogeneze
• opakované dělení buněk a jejich
diferenciace = produkce modulů
vegetativních orgánů = fytomera
(stonek, list, pupen)
• •
vegetativní
generativní
• přechod k reproduktivnímu vývoji =
tvorba květů a květenství
• může být reversibilní
• kontrola (vnitřní i vnější faktory)
jednotlivé fytomery
jsou vyznačené
odlišnými barvami
Velikost prýtového apikálního
meristému
• většinou malá: 50–150 μm v průměru
• cykasy nebo květenství slunečnice: 2-3 mm
Dennis (2001): www.els.net
1400Chrysanthemum segetum
100Silene coeli-rosa
70Helianthus annuus
50Arabidopsis thaliana
průměr vegetativní SAM
/um/
rostlina
Hofmeisterovo pravidlo
• 1868 botanik Wilhelm Hofmeister:
nové listy se na meristému zakládají na místě, které je
nejvíce vzdáleno od předcházejícího listu
existují ale i výjimky
úhel mezi listy 99,5°
Rutishauser et Peisl 2001
fylotaxe v meristému květenství
137,5°1
2
3
Arabidopsis
Sedum
1
2
34
Fylotaxe
• je způsob uspořádání listů, šupin nebo listenů
s květy na stonku
• studium fylotaxe odpovídá na otázky:
– co dělá prýtový apikální meristém
– jak to dělá
Popis fylotaxe
= spojování sousedních listů
– křivka spojující sousední listy = parastich (helix)
– přímá linie = orthostich
spirální fylotaxe =
v každém nodu 1 list
chirální systém = šroubovice
nemá střed nebo rovinu souměrnosti achirální systémy
křižmostojné listy
průměr meristému 150um
přeslenité listy
průměr meristému 80um
Rutishauser et Peisl 2001http://www.mcdb.lsa.umich.edu/labs/clarks/
Leonardo Pisano,
Fibonacci
narozený v Pise 1170
odvodil číselnou řadu
1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55...
21 spirál proti směru a 34 spirál v opačném směru
8 spirál proti směru a 13 spirál v opačném směru
Foto: Rutishauser 2009 – výstava v botanické zahradě v Ženevě
Pozice orgánů = fylotaxe
Aeonium tabuliforme
Fibonacciho systém:
8 levotočivých parastichů = 2 značené červeně
a 13 pravotočivých parastichů = 3 značeny
oranžově
žlutě = úhel sousedních listů (137,5°)
Pinus sp.
všechna spirální
uspořádání jeví chiralitu
8 parastichů
Rutishauser et Peisl 2001
Regulace SAM u Arabidopsis
gen WUSCHEL se exprimuje ve spodní části CZ
(určuje pluripotenci kmenových buněk)
a indukuje expresi CLAVATA3 – ten kóduje
produkci ligandu CLV1, který pak kontroluje
expresi WUS a tak omezuje vznik nadměrného
počtu kmenových buněk a řídí jejich přechod
do organogenních zón =
gen WUS je negativně regulován proteinem
CLAVATA
SHOOTMERISTEMLESS (STM)
je exprimován v celém SAM
kromě PZ, kde se mohou tvořit
primordia.
AINTEGUMENTA (ANT) je
exprimován v laterálním
primordiu.
Traas et Vernoux 2002
Regulace prýtového apikálního
meristému
Fiers et al. Current Opinion in Plant Biology 2007
Lenhardt et Laux 2003
in situ hybridizace:
endogenní exprese CLV3
Model regulace fylotaxe
polárním tokem auxinu
akumulace auxinu
I1 – iniciace orgánu
P1, P2 - primordia
bazipetální polarizace PIN1
a vznik nové zóny iniciace
Simulovaný model SAM
Smith et al. 2006
vstřícné
trojčetné střídavé - spirála
auxinová
maxima =
světle zelená
Vizualizace regulace vývoje meristému
a význam auxinu pro organogenezi
pDR5rev::3XVENUS-N7
aktivace produkce modrého zbarvení
v místě výskytu auxinu
Gordon et al. 2007
Development
Metoda pro pozorování
živých meristémů
Grandjean et al. 2004
Rozdílná rychlost dělení a růstu buněk
Grandjean et al. 2004
barveno FM-64 po 31 hodinách
apex
meristému
LP
Rozdílná rychlost dělení a růstu buněk
květního primordia
Grandjean et al. 2004
podle vzdálenosti od vrcholu
po 24 hodinách
SAM tabáku – vliv cytokininů
linie 660 s aktivovaným
pOp::ipt
kontrola: aktivátor
35S::LhG4
7 DC
15 DC
úsečka = 100 mzvýšená hladina CK normální hladina CK
Vliv cytokininů na vývoj SAM
Arabidopsis
Werner et al. 2003
35S:AtCKX1kontrola
snížení obsahu cytokininů
na 30 - 40% kontroly)
snížená hladina CKnormální hladina CK
úsečka = 25 m
Vliv cytokininů na
vývoj SAM
Arabidopsis
a b
c d
a) netransformovaná kontrola
WT Columbia 0
b) linie 4G3 x14/1-C
s aktivovanou expresí ipt
zvýšení obsahu cytokininů
c) aktivátor 35S::LhG4
14/1-C
d) neaktivovaný pOp::ipt
reportérová rostlina 4G3
po 7 DC
úsečka = 50 m
DP H. Kratochvílová
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 m
a b
c d
DP H. Kratochvílová
Vliv cytokininů na
vývoj SAM
Arabidopsis
Diferenciace dceřiných buněk meristémů
na trvalá pletiva
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
kořenové vlásky (root hairs) emergence ze specializovaných
epidermálních buněk (trichoblastů) – zóna v blízkosti kořenové
špičky - zvětšení absorpční plochy kořene
trichomy na prýtech
• 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 nepravidelného
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)
klasifikace podle způsobu sekundárního tloustnutí buněčné stěny
Prokambium základ
vodivých pletiv
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 a cévní elementy
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
cévní elementy 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
tracheidy
cévní elementy
Složky xylému
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