Dvojí oplození u krytosemenných rostlin Sergej Gavrilovič Navašin (1857 - 1930)‏ •studoval v Petrohradu •a na univerzitě v Moskvě •prof. botaniky v Kyjevě •1898 popisuje dvojité oplození u krytosemenných rostlin – –Novyje nabljuděnija nad oplodotvorenijem u Fritillaria tenella i Lilium martagon (součást sborníku Dněvnik X. sjezda russkich estěstvoispytatělej i vračej v Kijevě) –krátké sdělení v německém časopise Botanisches Zentralblatt • 1898: Sergej G. Navašin: popis dvojitého oplození u Fritillaria a Lilium na zasedání botanické sekce Přírodovědné společnosti v Kyjevě v Rusku (24.8. 1898) - krátké sdělení publikováno v německém časopisu Botanisches Zentralblatt Vniknutí pylové láčky do zárodečného vaku •pylová láčka prorůstá filiformním aparátem do jedné synergidy •někdy synergida degeneruje předem (reakce na opylení), u druhé se projevují změny související se zvýšenou metabolickou aktivitou •pylová láčka v synergidě praská – její obsah se smísí s obsahem synergidy •jádro synergidy a vegetativní jádro degenerují (DNAáza)‏ •aktinové filamenty tvoří korunovité struktury a reagují s myosinem na povrchu spermatických buněk a podílejí se tak na jejich transportu do vaječné a centrální buňky Karyogamie a plasmagamie •Karyogamie = splývání jader •syngamie - splývání jader vaječné a spermatické buňky •konfluace - splývání jader centrální a spermatické buňky • •Plasmagamie = splývání cytoplasmy buněk • Vývoj embrya a endospermu Post-Fertilization Development & Embryology Embryogeneze - vývoj embrya •= proces přeměny jednobuněčné zygoty v embryo obsahující základy orgánů budoucí rostliny • •pozoruhodná jednota utváření klíční rostliny různých taxonů vyšších rostlin : • apikálně-bazální osa = meristémy • radiální symetrie = koncentricky uspořádaná pletiva • •další vývoj = postembryonální aktivita meristémů Vznik embrya •embryo se vyvíjí ze zygoty •zygota – vzniká v zárodečném vaku ve vajíčku •fúzí vaječné buňky (oosféry) s buňkou spermatickou = oplození • •oplození • jednoduché • rostliny cévnaté výtrusné • rostliny nahosemenné • • dvojité – krytosemenné rostliny (syngamie a konfluace) Raná embryogeneze a vývoj endospermu u kukuřice po oplození in vitro fůze iniciovaná el. pulsem Ca2+ maximum Ca2+ induced changes in microtubular organization in the fertilized egg cell of maize (Hoshino et al. 2004). Fig. 3 Schematic representation of events in the zygote and early embryo and endosperm development after IVF in maize. Left: zygote and embryo development after electrical pulse-mediated gamete fusion. Ca2+-influx and cytosolic Ca2+ elevation in the zygote at various times after calcium-mediated gamete fusion are indicated by +). Ca2+-influx starts essentially immediately after gamete fusion Vývoj embrya v čase je charakterizován sledem typických morfologických stadií zygota lineární embryo globulární embryo srdcovité embryo hruškovité (torpédovité)‏ zralé embryo u dvouděložných rostlin u jednoděložných rostlin zygota lineární embryo mnohobuněčné embryo „válcovitý útvar“ zralé embryo (laterálně založený SAM a rudiment 2. dělohy)‏ Embryogenetické typy Solanad Chenopodiad Caryophyllad Onagrad Asterad Piperad první dělení zygoty = příčné první dělení zygoty = podélné dělení apikální buňky = příčné dělení apikální buňky = podélné plant embryogeny has been divided into six types: Solanad, Chenopodiad, Caryophyllad, Onagrad, Asterad and Piperad (Johri, 1984). In the first 5 types, the first division of zygote is transverse to the long axis of the cell, and often asymmetrical to produce a large basal cell and a small apical cell. When the first division of the apical cell is transverse, if most organogenetic part of the embryo is derived from the apical cell, it is called Solanad type; if the basal cell has been involved considerably in embryonic organogenesis, it is called Chenopodiad type; and if absence of division in the basal cell and the formation of the suspensor mainly from the apical cell, it is called Caryophyllad type. When the apical cell divides longitudinally, if the basal cell contribute very little or nothing to the formation of embryo organs, it is called Onagrad type (or Crucifer type); if the basal cell contributes greatly to the embryonic organogenesis beside the formation of a suspensor, it is called Asterad type. The remaining type is called Piperad to which very few species adapt, with the first division of the zygote is longitudinal to the axis of the cell (Natesh and Rau, 1984; Maheshwari, 1950). Piperad Onagrad Caryophyllad Asterad Embryogenetické typy Chenopodiad Solanad Poddubnaja-Arnoldi 1976 Výskyt embryogenetických typů •Solanad - Solanaceae (lilek, tabák), Papaveraceae, Linaceae •Chenopodiad – Chenopodiaceae (merlík, řepa)‏ •Caryophyllad – Silenaceae, Fumariaceae, Viciaceae •Onagrad – Onagraceae, Brassicaceae, Ranunculaceae, Lamiaceae, Euphorbiaceae, Viciaceae, Liliaceae •Asterad – Asteraceae, Rosaceae, Polygonaceae, Liliaceae, Poaceae •Piperad – Piperaceae, Dipsacaceae, Euphorbiaceae Solanad Poddubnaja-Arnoldi 1976 Vývoj embrya a endospermu - Nicotiana N. ruta x N. tabacum 5 DAP 10 DAP 15 DAP 20 DAP N. tabacum x N. ruta 5 DAP 10 DAP 15 DAP 20 DAP Zpomalení vývoje při křížení s pylem N. ruta Poddubnaja- Arnoldi 1976 Solanad Chenopodiad Poddubnaja-Arnoldi 1976 Caryophyllad (Sagina)‏ Poddubnaja-Arnoldi 1976 Asterad Poddubnaja-Arnoldi 1976 Onagrad - Capsella Poddubnaja-Arnoldi 1976 globulární embryo torpédovité (hruškovité) embryo Capsella bursa-pastoris Stadia vývoje embrya Capsella Erdelská 1981 Stadia vývoje embrya - Capsella Thorpe 1995 Image adapted from Wolpert, Lewis. (1998) Principles of Development. Oxford University Press, NY Stadia embryogeneze Arabidopsis thaliana zygota Embryo lilie (Lilium)‏ embryo v globulární fázi vývoje suspenzor vlastní embryo endostom endosperm The embryo proper forms a globular stage early in its development. The basal area of the embryo is to the left; the globular proembryo to the right. embryo.jpg Embrya jednoděložných rostlin Galanthus nivalis Narcissus pseudonarcissus Podélný řez obilkou pšenice perikarp testa aleuronová vrstva endosperm embryo: štítek (scutellum)‏ koleoptile list plumula epiblast (rudiment 2. dělohy)‏ mezokotyl radikula koleorhiza kalyptra u obilek srůstá Zea Poddubnaja-Arnoldi 1976 Embryogeneze u Arabidopsis (typ Onagrad)‏ •první dělení zygoty = příčné PIN-FORMED 1 - 7 (PIN1-7) = regulátory transportu auxinu malá apikální buňka větší bazální buňka proembryo bazální buňka suspenzor + hypofýza (arabinogalaktan. epitopy, PIN7)‏ apikální buňka vlastní embryo transkripční faktory AtML1, WUS Embryogeneze u Arabidopsis formace radiálních vzorů - začíná ve stadiu 8 buněk periklinální dělení vznik protodermu na povrchu dělení vnitřních buněk základní meristém základ prokambia epidermis kůra a endodermis cévní svazky Embryogeneze u Arabidopsis cb ca Model pro roli distribuce auxinu při formování embrya (J. Friml)‏ mp, bdl - mutanty v odpovědi na auxin gn - mutant transportu auxinu specifikace apikálních buněk - hromadění auxinu specifikace kořenového pólu - produkce a transport auxinu do hypofýzy a suspenzoru absence kořenového pólu specifikace základů děloh- hromadění auxinu v ve dvou místech apexu GE Arabidopsis – vývoj radikuly Typy endospermu helobiální jaderný převládá buněčný jaderný u kukuřice Costa et al. TIPS 2004 Robert Brown (1773 –1858) skotský botanik •zavedl pojem nucellus (kolem 1830), považoval jeho pletivo za výživu embrya a nazýval jej albumen primarium. Robert_Brown •Pro endosperm, který se tvoří ve vznikajícím semeni, používal termín albumen secundarium (= dnešní označení primární a sekundární živné pletivo). •popsal, že embryo je radikulou vždy orientováno k mikropyle • Raná stadia vývoje jaderného endospermu u Arabidopsis (coenocyt)‏ > MP - mikropylární pól V - vakuola ChP - chalazální pól E - embryo MCE - mikropylární endosperm PEN - periferální endosperm CZE - chalazální endosperm Celularizace endospermu u Arabidopsis C MCE -mikropylární buněčný endosperm ALV - alveoly RMS - radiální mikrotubulární systém NO - endospermální noduly E - embryo CE - buněčný endosperm ChC - chalazání cysta ALC - „aleurone-like cells“ První dělení primárního endospermálního jádra u lilie metafáze prvního dělení primárního endospermálního jádra, vznik volnojaderného endospermu v mikropyle tmavě červenč zbarvená pylová láčka (bílá šipka). antipody The primary endosperm divides mitotically to form the free-nuclear endosperm. To the left, the pollen tube stains dark red within the micropyle. (The zygote is out of the plane of sectioning.). e-endo, pen Dvoujaderný endosperm u lilie Dělení endospermu začíná před dělením zygoty (detail vpravo). The endosperm begins to divide prior to the division of the zygote is shown to the right. 2n-endo, 2n-endo2 Apomixe u kvetoucích rostlin •objev apomixe (Smith, 1841)‏ = samičí rostliny Alchornea ilicifolia (Euphorbiaceae) z Austrálie •tvořily semena v Kew Gardens v Londýně (bez přítomnosti samčích rostlin) 1908 Winkler termín apomixis = ‘‘substitution of sexual reproduction by an asexual multiplication process without nucleus and cell fusion’’ současný náhled: apomixis je synonymem termínu ‘‘agamospermie’’ (Richards, 1997)‏ Význam apomixe •umožňuje tvorbu velkých geneticky uniformních populací •zachovává hybridní vigor v následných semenných generacích •plánuje se: –rychlá tvorba a množení nejlepších odrůd –redukce nákladů a času při šlechtění –překonání problémů spojených s pohlavním rozmnožováním, jako jsou opylovači, kros-kompatibilita –redukce přenosu virů u vegetativně množených plodin • Srovnání pohlavního rozmnožování a apomixe Darrigues et al. Mechanismy apomixe • tvorba buněk schopných tvořit embryo bez předcházející meiosis (apomeiosis), •spontánní tvorba embrya nezávislá na oplození (parthenogenesis)‏ •schopnost autonomně produkovat endosperm nebo využití endospermu vyvíjejícího se po oplození Koltunov 1993 Srovnání pohlavního rozmnožování a apomixe apomixe Bicknell a Koltunov 2004 Srovnání pohlavního rozmnožování a apomixe meiosis dvojí oplození meiosis meiosis dvojí oplození Aposporie u rodu Hieracium ai iniciála aposporie aes aposporický zárodečný vak Bicknell a Koltunov 2004 kalózové stěny barvené anil. modří Obr10-2 suspenzory oř suspenzor (zavěšovadlo) dočasná funkce v rané embryogenezi tvarově rozmanitý orgán - haustoria Wardlaw C.W.: Embryogenesis in Plants. – John Viley & sons, Inc., London, 1955 Embryogeneze u kukuřice Zea_embryogeneze vajicko semeno přeměna pestíku (nebo jeho části) v plod ukládání zásobních látek dehydratace a tvorba ochranných proteinů (LEA = late embryo abundant) zvýšená koncentrace inhibičních látek (ABA = kyselina abscisová) přeměna vajíčka a integumentů v semeno Zrání embrya často se zvyšuje ploidie jader (extrém 300C) Endosperm rostlin krytosemenných •pletivo obklopující a vyživující embryo v průběhu vývoje •počátek vývoje = konfluace – oplození centrální buňky zárodečného vaku = vznik primární endospermální buňky •typy endospermu podle způsobu dělení: •jaderný (nukleární) – zpočátku volnojaderné dělení, později celularizace - výskyt u jednoděložných i dvouděložných rostlin (Brassicaceae - Capsella, Galanthus, Cocos,) •buněčný (celulární) – po každém dělení jádra tvorba buněčné stěny - častější u dvouděložných (Viciaceae, Solanaceae, Campanulaceae - Jasione) •helobiální – po prvním dělení vznik přepážky, v každé pak probíhá volnojaderné dělení - častější u jednoděložných (Juncus, Najas) •endosperm může i chybět (Orchidaceae, Trapaceae) • • Endosperm •ploidie - záleží na typu zárodečného vaku: • obecně 3N, u Oenothera 2N • u typů Fritillaria, Penea, Pepromia polyploidní (extrém 300N) • •složení: •zásobní látky • polysacharidy (škrob, galaktomananové hemicelulózy u datle, luštěnin) • proteiny (proteinová tělíska – fragmenty ER, vakuoly) – zásobní, funkční • lipidy (tuky a oleje – lipidová tělíska oleozomy) • fytin – hexafosfátový ester myo-inozitolu, Ca a Mg sůl • Endosperm •dočasný - v průběhu dozrávání embrya je „spotřebován“ = bezbílečnatá semena • •v semeni přetrvává v době zralosti embrya = bílečnatá semena • • • •zbytek nucellu v době zralosti embrya = perisperm cytokineze endosp Otegui M., Staehelin A.: Cytokinesis in flowering plants: more than one way to divide a cell. Curr. Opinion plant Biol. 3 (2000): 493 - 502 NCD – nukleo-cytoplazmatická doména MP – minifragmoplast MTOC – centrum organizující mikrotubuly MT – mikrotubuly N – jádro (Coronopus didymous, čel. Brassicaceae) Celularizace jaderného endospermu celularizace nukleárního endospermu Otegui M., Staehelin A.:Cytokinesis in flowering plants: more than one way to divide a cell. – Curr. Opinion plant Biol. 3 (2000): 493 - 502 MP – minifragmoplast MT – mikrotubulus GHI – fúze váčků typu přesýpacích hodin (angl. hourglass intermediates) RS – ring-like structure WTN – síť širokých tubulů TTN – síť tenkých tubulů CB – klatrinové vezikuly tvořící se na membráně (angl. clathrin-coated budding vesicle) cytokineze endsp DME exprimován pouze v centrální buňce zárodečného vaku DME (DEMETER) MEA (MEDEA) FIS (FERTILISATION INDEPENDENT SEED) FIE (FERTILISATION INDEPENDENT ENDOSPERM) geny důležité pro vznik endospermu FIS: FIS1/MEA (metyltransferáza H3-K27me) FIS2 (TF Zn-prsty) FIS3/FIE (protein WD-40 – interakce s proteiny) http://www.cellsignal.com/reference/domain/images/wd40_3d.gif doména WD 40 (Gβ) (v podjednotce β heterotrimerického G proteinu) Wall M.A.: Cell 83 (1995): 1047 DME exprimován pouze v centrální buňce zárodečného vaku demetyluje ® aktivuje FIS1/MEA a FIS2 FIS: FIS1/MEA (metyltransferáza H3-K27me) FIS2 (TF Zn-prsty) FIS3/FIE (protein WD-40 – interakce s proteiny) složky komplexu Polycomb po oplození ♂ PHE1 je funkční v gametofytu a endospermu ♂MEA ♂FIS2 ♀ mutanti fis1/mea, fis2, fis3/fie bez oplození tvoří diploidní endosperm a semena bez embryí, v tvarově pozměněných plodech po oplození zdravou rostlinou – bujný endosperm, semena nedokončí vývoj, plody předčasně opadávají ♂ mutanti fis1/mea, fis2, fis3/fie – nemají výrazný projev geny důležité pro vznik endospermu ♀ PHE1 (PHERES1) transkripční faktor MADS embryogeneze dvouděložných krytosemenných rostlin - schéma embryogeneze 1Paz zygota první dělení zygoty embryog 1 embryogeneze 1Paz embryogeneze 2Paz zygota první dělení zygoty vznik suspenzoru a proembrya embryo embryog 2 Raven P.H., Everet R.F., Eichhorn S.E.: Biology of Plants. – W. H. Freeman and Comp. Publ., 2005 embryogeneze dvouděložných krytosemenných rostlin - schéma embryogeneze 1Paz embryogeneze 2Paz embryogeneze 3 Paz zygota první dělení zygoty vznik suspenzoru a proembrya globulární embryo embryo diferenciace protodermu epifýzy centrálního hypofýzy meristému embryogeneze dvouděložných krytosemenných rostlin - schéma embryog 3 Raven P.H., Everet R.F., Eichhorn S.E.: Biology of Plants. – W. H. Freeman and Comp. Publ., 2005 embryogeneze 1Paz embryogeneze 2Paz embryogeneze 3 Paz embryogeneze 4Paz zygota první dělení zygoty vznik suspenzoru a proembrya globulární embryo embryo srdčité embryo diferenciace prokambia a základního meristému diferenciace protodermu epifýzy centrálního hypofýzy meristému embryogeneze dvouděložných krytosemenných rostlin - schéma embryog 4 embryog 5 Raven P.H., Everet R.F., Eichhorn S.E.: Biology of Plants. – W. H. Freeman and Comp. Publ., 2005 embryogeneze 1Paz embryogeneze 2Paz embryogeneze 3 Paz embryogeneze 4Paz embryogeneze 5 Paz zygota první dělení zygoty vznik suspenzoru a proembrya globulární embryo embryo srdčité embryo diferenciace prokambia a základního meristému torpédovité embryo zralé embryo vstupující do dormance diferenciace protodermu epifýzy centrálního hypofýzy meristému u Arabidopsis je hypofýzou přiléhající buňka suspenzoru (derivát buňky bazální) později se dělí na horní buňku čočkovitou ® kořenový meristém spodní buňka ® kolumela ® kořenová čepička embryogeneze dvouděložných krytosemenných rostlin - schéma embryog 6 Raven P.H., Everet R.F., Eichhorn S.E.: Biology of Plants. – W. H. Freeman and Comp. Publ., 2005 embrya rostlin jednoděložných embryo pšenice b Triticum embryo cibule embryo kuku semeno Zea mays Allium cepa Raven P.H., Everet R.F., Eichhorn S.E.: Biology of Plants. – W. H. Freeman and Comp. Publ., 2005 polarita embrya – transport auxinu embryo lok PIN1 embryo IAA trans PIN7 PIN1 Taiz l., Zieger E.: Plant Physiology. – Sinauer Ass., Inc., Publishsrs, Sunderland, Massachusetts, 2006 (upraveno) embryo mutanty trans norm embryo mutanty trans pin embryo mutanty trans skoř projevy poruch transportu auxinu normální jedinec Brassica juncea mutant pin1 efekt kyseliny skořicové – působí inhibici transportu IAA embryo inh transp IAA Fischer C. et al.- Plant Cell 9 (1997):1767 - 1770 polární transport auxinu zajišťuje řada genů gen GNOM/EMB30 embryo gnom mutant gnom (z něm. trpaslík) kóduje ARF GEF (ADP-rybosilation factor GDP exchange factor) (ovlivňuje polární transport váčků nesoucích PIN do plazmatické membrány mutace se projevuje již při prvním dělení zygoty – je symetrické poruchy ukládání pektinů, adheze a komunikace buněk) GNOM c – dělohy ep – vlastní embryo er – embryonální kořen h – hypokotyl s – suspenzor sc – osemení AtLPT1-GUS stádium globulární srdčité dospělé Vroemen C.W. et al: Plant Cell 8 (1996): 783 polární transport auxinu zajišťuje řada genů embryo monopteros mutant monopteros (rorýs) MP je transkripční faktor ARF (auxin response factor, váže se na AuxRE) aktivuje transkripci genů řízených signálem auxinu mutant má poškozenou také diferenciaci vodivých pletiv gen MONOPTEROS gen BODENLOS/IAA12 gen IAA13 BDL BDL, IAA13 jsou Aux/IAA - inaktivují MP (ARF) auxin navodí navázání ubikvitinu E3 ligázou SCFTIR1a odbourávání BD mutantní proteiny ligáza nerozezná a signál auxinu je blokován (mutace gain-in-function) Szemenyei H. et al: Science 319 (2008): 1384 BDL kontr1 embryo MP projev exprese genu MP v embryích a v klíčních rostlinách kóduje transkripční faktor ARF diferenciace apikální části embrya geny TPL (TOPLESS) TPR1, TPR2, TPR3, TPR4 (TOPLEES RELATED) u mutantů je porušeno zakládání děloh, tvoří se kořeny v apikální části epigeneteicky blokují tvorbu kořenů v apikální části embrya transport auxinu není narušen TOPLESS Long J.A. et al: Science 312 (2006), 5779: 1520 diferenciace a vývoj apikálního stonkového meristému geny WUS (WUSCHEL; něm. střapatý) stadium 16 buněk – horní vnitřní tetráda transkripční faktor s homeodoménou (jeden ze skupiny WOX (WUSCHELHOMEOBOX) reprimuje transkripci genů RR (RESPONSE REGULATOR), které negativně ovlivňují geny indukovatelné cytokininy u Arabidopsis ARR5, ARR6, ARR7, ARR15 CUC1, CUC2, CUC3 (CUPSHAPED COTYLEDONS) exprimují se od konce globulárního stádia transkripční faktory skupiny NAC (60 aminokyselin) ® exprese dalších genů, např. STM jsou reprimovány signálem auxinu STM (SHOOTMERISTEMLESS) – skupina genů KNOX transkripční faktor s homeodoménou – u mutantů cuc se neexprimuje CLV1, CLV2, CLV3 (CLAVATA) CLV1 a CLV2 – receptorová kináza, CLV3 – extracelulární signální protein embryo WUS Long J.A. et al: Science 312 (2006), 5779: 1520 wus – STM se exprimuje ve správný čas na správném místě do pozdní embryogeneze stm – CLV se exprimuje do torpédovitého stádia WUS se exprimuje do pozdní embryogeneze diferenciace v radiálním směru – vymezení centrální a periferní zóny globulární stádium na konci globulárního stádia se na hranici centrální a periferní zóny v apikální části embrya zakládají dělohy na styčné ploše se diferencuje prokambium REVulose PHV exprese v periferní oblasti je negativně regulována miRNA Emery F.J. et al.: Curr. Biol. 13 (2003): 1768 - 1774 oblast centrální geny PHV (PHAVOLUTA) PHB (PHABULOSA) REV (REVOLUTA) funkčně redundantní kódují TF HD-ZIPIII oblast periferní geny KAN (KANADI) transkripční faktory GARP (motif GARP = motif B) YAB (YABBI) transkripční faktory – Zn prst + HTH diferenciace kořene – nezbytný je polární transport auxinu geny HBT (HOBBIT) exprimuje se v dolní tetrádě oktantu kóduje složku ubikvitinové E3 ligázy typu APC – u mutantu Arabidopsis hbt se nedělí hypofýza, je zvýšená hladina některých Aux/IAA MP je epistatický k HBT MP a BDL se neexprimují v hypofýze, ale v jejím derivátu – buňce čočkovité PLT1, PLT2 (PLETHORA) kódují transkripční faktory AP2/EREBP = ERF (etylén) exprese v dolní tetrádě oktantu, později v kořenovém pólu – interpretace signálu auxinu embryo PLT Aida M. et al – Cell 119 (2004): 109 kořen dif geny diferenciace kořenové čepičky geny kódující ARF10 a ARF16 - stimulovány auxinem a inhibovány miRNA exprese MP a PLT závisí na IAA PLT indukuje expersi SHR a SCR PLT, SHR a SCR se exprimují v klidovém centru a základu kolumely Taiz l., Zieger E.: Plant Physiology. – Sinauer Ass., Inc., Publishsrs, Sunderland, Massachusetts, 2006 (upraveno) diferenciace kořene – nezbytný je polární transport auxinu geny HBT (HOBBIT) exprimuje se v dolní tetrádě oktantu kóduje složku ubikvitinové E3 ligázy typu APC – u mutantu Arabidopsis hbt se nedělí hypofýza, je zvýšená hladina některých Aux/IAA MP je epistatický k HBT MP a BDL se neexprimují v hypofýze, ale v jejím derivátu – buňce čočkovité PLT1, PLT2 (PLETHORA) kódují transkripční faktory AP2/EREBP = ERF (etylén) SHR (SHORT ROOT) SCR (SCARECROW; strašák) transkripční faktory skupiny GRAS