Bi8240 GENETIKA ROSTLIN doc. RNDr. Jana Řepková, CSc. repkova@sci.muni.cz Prezentace 04 Inkompatibilita Inkompatibilní systémy vyšších rostlin Neschopnost rostlin tvořit semena Funkční gamety zachovány Funkce: zabránění inbridingu, zajištění cizosprášení Inkompatibilní reakce pyl – pletivo čnělky, blizny Biochemický proces s jednoduchou genetickou determinací Determinace jedním mnohoalelním lokusem S, jeden nebo více genů se exprimuje v samčích a samičích reprodukčních pletivech. Klasifikace inkompatibility Gametofytická inkompatibilita 60 čeledí – Solanaceae, Papaveraceae, Fabaceae, Rosaceae, Mimosaceae, Liliaceae, Poaceae Sporofytická inkompatibilita méně častá – Brassicaceae, Asteraceae, Convolvulaceae Systémy inkompatibility u některých druhů vyšších rostlin Čeleď Druh Autofertilita Autoinkompatibilita Brassicaceae Arabidopsis thaliana ano Brassica napus ano Brassica oleracea sporofytická Poaceae Hordeum vulgare ano Secale cereale gametofytická Fabaceae Trifolium repens gametofytická Pisum sativum ano Papaveraceae Papaver rhoeas gametofytická Primulaceae Primula vulgaris sporofytická Systémy inkompatibility u některých druhů vyšších rostlin Čeleď Druh Autofertilita Autoinkompatibilita Scrophulariaceae Antirrhinum majus gametofytická Solanaceae Nicotiana alata gametofytická Nicotiana tabacum ano Solanum tuberosum gametofytická Petunia inflata gametofytická Petunia hybrida ano Rosaceae Prunus gametofytická Pyrus gametofytická Malus gametofytická Pletiva podílející se na inkompatibilitě Pylová láčka Rozdíly mezi gametofytickou (GSI) a sporofytickou (SSI) inkompatibilou interakce pylová láčka x čnělka interakce pyl x blizna zablokování pylové hydratace GSI SSI Gametofytická inkompatibilita 1. Jednolokusový systém GI – Solanaceae (Lycopersicon, Nicotiana, Solanum, Petunia) – Fabaceae (Trifolium) 2. Vícelokusový systém GI – 2 mnohoalelní lokusy S, Z – Secale – dědičnost nezávislá, funkční spolupůsobení – inkompatibilní rekce při identitě alel obou lokusů – v genotypu pylu i pestíku – křížení:  S1S1 Z3Z3 x S2S2 Z4Z4  S1S1 Z3Z3 x S1S1 Z4Z4  S1S1 Z3Z3 x S1S2 Z3Z4  S1S2 Z3Z4 x S1S1 Z3Z3 – 3 lokusy Ranunculus acris – 4 lokusy Beta vulgaris, Papaver rhoeas Model – Nicotiana alata, Petunia inflata (Solanaceae) Lokus S glykoprotein čnělky → – S-RNáza 30 kDa samičí determinant – protein SLF (S-locus F box) samčí determinant Molekulární analýza gametofytické inkompatibility Molekulární analýza gametofytické inkompatibility Interakce pyl – čnělka Čnělka S1S2 Model - Papaver rhoeas (Papaveraceae) S protein blizny (small stigma protein ) 15 kDa PrsS protein pylu 20 kDa PrpS Model interakce pyl – blizna Molekulární analýza gametofytické inkompatibility Důsledky interakce pyl – blizna 1. Zvýšení koncentrace Ca2+ v láčce 2. Redukce aktivity p26 – pyrofosfát 3. Aktivace MAP kinázy p56 4. Buněčná smrt: uvolnění cytochromu c z mitochondrií, kaspázy, fragmentace jaderné DNA 5. Depolymerizace F-aktinu 1 2 3 4 4 5 Důsledky interakce pyl – blizna na cytoskelet v láčce a) kompatibilní interakce b) až e) inkompatibilní 1 min 20 min 60 min Sporofytická inkompatibilita 1. Homomorfní SI – všechny rostliny v rámci druhu s inkompatibilitou kódovanou lokusem S mají identickou morfologii květů – 1 lokus s více alelami, – kodominance a dominance dvou alel 2. Heteromorfní SI – heteromorfizmus - kontrolován pouze lokusem S nebo 2 nezávislými lokusy – dimorfizmus – Primula vulgaris, 1 lokus – tristylie  Lythrum salicaria  2 nezávislé lokusy M,S. S je epistatický Dimorfní heterostylie u Primula vulgaris Tristylie u Lythrum salicaria ss mm ss MS- -- Dominantní alela S je epistatická nad M Kompatibilita křížení S1S3 x S1S2 při různém vztahu alel v pylu a v pestíku spolupůsobení alel kompatibilita křížení v pylu (S1S2) v pestíku (S1S3) nezávislé nezávislé S1 > S2 nezávislé S2 > S1 nezávislé nezávislé S1 > S3 nezávislé S3 > S1 S1 > S2 S1 > S3 S1 > S2 S3 > S1 S2 > S1 S1 > S3 S2 > S1 S3 > S1 Vztahy mezi alelami u některých druhů se sporofytickou inkompatibilitou Identifováno více než 50 alel Brassica oleracea (Brassicaceae) Lokus S – 80 až 100 kb, až 17 vázaných genů Proteiny buněk blizny – SRK kináza (S-related kinase) – samičí determinant – SLG protein specifický pro lokus S – samičí determinant (S-locus-specific-glycoprotein) – SLR (S-locus related protein) – není ve vazbě s S Proteiny pylu – SCR protein specifický pro lokus S samčí determinant (S-locus cysteine rich protein) – PCP obalový protein (coat protein) Molekulární analýza sporofytické inkompatibility Model interakce pylu a buněk blizny Doména Extracelulární Transmembránová Cytoplazmatická povrch blizny s papilami u Brassica Adhezní vrstva 10 min po dopadu pylu Model interakce pylu a buněk blizny 1 2 Protein ARC1 U-box Ubiquitin Ligázová aktivita Rozeznává a váže neúplné molekulární struktury Degradace proteinů blizny podílejících se na růstu pylové láčky Využití inkompatibility ve šlechtění 1. Zavedení inkompatibility do odrůdy – vnitrodruhovým nebo mezidruhovým křížením – Lactuca, Phaseolus 2. Odstranění inkompatibility – zdvojení počtu chromozómů, kolchicin, v př. GI, Trifolium, Nicotiana, Prunus, Petunia – indukce kompatibilních mutací (paprsky X – Trifolium repens, Prunus) – následný přenos kompatibility do inkompatibilní linie Kompatibilita u diploidních a tetraploidních rostlin Postup získání autokompatibilních (S3Sf) rostlin pomocí indukce mutací a přenesení této mutace do jiného kultivaru (S1S3) s vynikajícími vlastnostmi Prunus domestica Pseudokompatibilita Ozáření pylu, Solanaceae (fyziologické změny) Opylení v poupatech, Brassica, Raphanus – blizna není zralá, nízká úroveň exprese genů SI Opylení na konci vegetace nebo působením vyšších teplot než 60 ˚C – Trifolium, Lycopersicon Chirurgické metody Výukovou pomůcku zpracovalo Servisní středisko pro e-learning na MU http://is.muni.cz/stech/