Vývoj embrya a endospermu Post-Fertilization Development & Embryology Embryogeneze - vývoj embrya = proces přeměny jednobuněčné zygoty, která vzniká v zárodečném vaku vajíčka fúzí vaječné buňky s buňkou spermatickou v embryo (zárodek) obsahující základy orgánů budoucí rostliny pozoruhodná je jednota utváření klíční rostliny různých taxonů vyšších rostlin : apikálně-bazální osa = meristémy radiální symetrie = koncentricky uspořádaná pletiva další vývoj = postembryonální aktivita meristémů Vývoj embrya v čase je charakterizován sledem typických morfologických stadií u dvouděložných rostlin u jednoděložných rostlin zygota lineární embryo globulární embryo srdcovité embryo hruškovité (torpédovité) zralé embryo zygota lineární embryo mnohobuněčné embryo „válcovitý útvar“ zralé embryo (laterálně založený SAM a rudiment 2. dělohy) Radoeva et al. 2019 Embryogeneze dvouděložných krytosemenných rostlin - schéma zygota první dělení zygoty vznik suspenzoru a proembrya lineární embryo Raven P.H., Everet R.F., Eichhorn S.E.: Biology of Plants. – W. H. Freeman and Comp. Publ., 2005 globulární embryo diferenciace protodermu epifýzy centrálního hypofýzy meristému Embryogeneze dvouděložných krytosemenných rostlin - schéma Raven et al. 2005 diferenciace prokambia a základního meristému srdčité - torpédovité embryo Raven et al., 2005 Raven et al. 2005 zralé embryo vstupující do dormance Embryogeneze dvouděložných krytosemenných rostlin - schéma Embryogenetické typy Solanad Chenopodiad Caryophyllad Onagrad Asterad Piperad první dělení zygoty = příčné první dělení zygoty = podélné dělení apikální buňky = příčné dělení apikální buňky = podélné 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 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 Embryogeneze u Arabidopsis (typ Onagrad) první dělení zygoty = příčné PIN-FORMED 1 - 8 (PIN1- 8) = integrální membránové proteiny transportu auxinu malá apikální buňka větší bazální buňka proembryo bazální buňka suspenzor + hypofýza apikální buňka vlastní embryo Figure adapted from Friml J, Vieten A, Sauer M, Weijers D, Schwarz H et al. 2003 Nature 426:147–153. 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 Arabidopsis – vývoj radikuly u Arabidopsis je hypofýzou buňka přiléhající k suspenzoru (derivát bazální buňky) později se dělí na horní buňku čočkovitou → kořenový meristém spodní buňka → kolumela → kořenová čepička ca cb http://dev.biologists.org/content/142/3/420Doporučná literatura: Embryogeneze a osud buněk u Arabidopsis Embryogeneze u kukuřice Randolph (1936); classification according to Abbe and Stein (1954) Embrya rostlin jednoděložných Triticum Zea mays Allium cepa Raven P.H., Everet R.F., Eichhorn S.E.: Biology of Plants. – W. H. Freeman and Comp. Publ., 2005 suspenzor (zavěšovadlo) dočasná funkce v rané embryogenezi tvarově rozmanitý orgán - haustoria Wardlaw C.W.: Embryogenesis in Plants. – John Viley & sons, Inc., London, 1955 Robert Brown (1773 –1858) skotský botanik  zavedl pojem nucellus (kolem 1830), považoval jeho pletivo za výživu embrya a nazýval jej albumen primarium • 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 Endosperm = pletivo obklopující a vyživující embryo v průběhu vývoje počátek vývoje endospermu = konfluace – oplození centrální buňky zárodečného vaku = vznik primární endospermální buňky dočasný - v průběhu dozrávání embrya je „spotřebován“ a zásobní látky jsou uloženy v dělohách embrya = bezbílečnatá semena v semeni přetrvává v době zralosti embrya = bílečnatá semena zbytek nucellu v době zralosti embrya = perisperm Endosperm rostlin krytosemenných 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) Typy endospermu Floyd and Friedman, 2000 http://www.yourarticlelibrary.com/biology/various-types-of- endosperm-of-flowering-plants/11785/ Raná stadia vývoje jaderného endospermu u Arabidopsis (coenocyt) MP MCE CZE PEN V V V CZE E ChP 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“ 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 jaderného 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 HGI – 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) 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 DME je 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) MEA regulation before and after fertilization. In sperm nuclei, the paternal copy of MEA is retained in a silent state by a PRC2 complex containing FIE and a SET domain protein. In addition, DNA methylation is maintained by MET1, although the function of DNA methylation in paternal MEA silencing is not fully understood. In the maternal central cell, MEA activity is induced by DNA demethylation via DME and other unknown mechanisms that remove histone 3 methylation at lysine residue 27. Double fertilization generates the diploid embryo and the triploid endosperm, and the maternally expressed MEA protein maintains the paternal allele in a silent state in a PRC2 complex containing FIE, FIS2 and MSI1. In addition, maternal MEA expression seems to be auto-regulated by MEA itself and decreases at later stages of seed development. https://www.researchgate.net/publication/6841236_Medea_in_full_self-control přeměna pestíku (nebo jeho části) v plod 1. ukládání zásobních látek 2. dehydratace a tvorba ochranných proteinů (LEA = late embryo abundant) 3. zvýšená koncentrace inhibičních látek (ABA = kyselina abscisová) přeměna vajíčka a integumentů v semeno Zrání embrya Auxin a vývoj embrya 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 dělohhromadění auxinu v ve dvou místech apexu GE Polarita embrya – transport auxinu PIN7 PIN1 Taiz l., Zieger E.: Plant Physiology. – Sinauer Ass., Inc., Publishsrs, Sunderland, Massachusetts, 2006 (upraveno) (Forestan et al. 2010) The localization of ZmPIN1 proteins in embryo plasma membrane is reported in red, and arrows indicate the polar auxin fluxes Transport auxinu – Zea mays Polární transport auxinu zajišťuje řada genů 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 BDL - inaktivuje MP (ARF) bdl mutant je necitlivý k auxinu Herud et al. (2016): The MP-BDL module acts like an auxin-triggered genetic switch because MP activates its own expression as well as the expression of its inhibitor BDL Exprese genu MONOPTEROS v embryích a v klíčních rostlinách kóduje transkripční faktor ARF kontrola mp mutant Polární transport auxinu zajišťuje řada genů gen GNOM/EMB30 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) c – dělohy ep – vlastní embryo er – embryonální kořen h – hypokotyl s – suspenzor sc – osemení AtLPT1-GUS stádium globulární srdčité dospělé Vroemen et al: Plant Cell 8, 1996 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 Long J.A. et al: Science 312 (2006), 5779: 1520 Diferenciace a vývoj apikálního stonkového meristému https://www.researchgate.net/figure/270905237_fig7_Fig-7-Formation-of-shoot-apical- meristem-SAM-during-Arabidopsis-thaliana Diferenciace kořene – nezbytný je polární transport auxinu gen HBT (HOBBIT) exprimuje se v dolní tetrádě oktantu kóduje složku ubikvitinové E3 ligázy typu APC – u hbt mutantu Arabidopsis se nedělí hypofýza, je zvýšená hladina některých Aux/IAA proteinů gen MP je epistatický k HBT MP a BDL se neexprimují v hypofýze, ale v jejím derivátu – buňce čočkovité geny PLT1, PLT2 (PLETHORA) kódují transkripční faktory AP2/EREBP = ERF (etylén) exprese v dolní tetrádě oktantu, později v kořenovém pólu – interpretace signálu auxinu Aida M. et al – Cell 119 (2004): 109 diferenciace kořenové čepičky geny kódující ARF10 a ARF16 - stimulovány auxinem a inhibovány miRNA exprese MP a PLT závisí na IAA PLT indukuje expresi 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 SHR (SHORT ROOT) SCR (SCARECROW; strašák) transkripční faktory skupiny GRAS (skupina rostlinných proteinů důležitých v ontogenetic. vývoji rostlin) http://cshperspectives.cshlp.org/content/1/5/a000497/F2.expansion.html (Wuschel-like homeobOX)