Meristémy Kořenový meristém Rostlinná embryologie Mgr. Hana Cempírková, Ph.D. Klasifikace pletiv podle původu: (Nägeli 1858) cytologie meristémů • parenchym (buňky izodiametrické, protáhlé, destičkovité) • nebo prosenchym (buňky protáhlé, na koncích zašpičatělé) • buňky: • malé rozměry • velké jádro a jadérko • tenká buněčná stěna • hustá cytoplazma (pouze provakuoly) • bez intercelulár 1. dělivá (meristémy) 2. trvalá Klasifikace meristémů difúzní (v rané fázi vývoje celá rostlinná embrya = protomeristém – embryonální meristémy lokální (jen malá část pletiv, specifická poloha v rostlině) primární meristémy apikální (vrcholové) meristémy kořene a stonku interkalární (vmezeřený) meristém sekundární meristémy – kambium, felogen = sekundární tloustnutí stonků a kořenů latentní meristém – přetrvávající meristém (pericykl/perikambium) - tvorba vedlejších či adventivních kořenů Klasifikace vegetativních meristémů podle polohy • apikální meristém (vzrostný vrchol stonku) • subapikální meristém (vzrostný vrchol kořene) • laterální meristémy (okraj mladých listů, kambium, felogen) • interkalární meristém (meristém kořenové čepičky, báze listů, kolénka trav, přesličky) Meristémy v průběhu ontogeneze protomeristém = dělivé pletivo v raném vývoji embrya - dělí se všechny buňky později je dělení buněk omezeno pouze na malé oblasti, ve kterých si buňky zachovávají schopnost dělení (apikální meristémy = primární meristémy) apikální meristémy začínají svou aktivitu po ukončení embryonálního vývoje, jejich činností vznikají: 1. buňky, které po diferenciaci vytvářejí rostlinné tělo (organogeneze) 2. buňky, které zajišťují vlastní sebereprodukci sekundární meristémy – kambium (produkce sekundárního xylému a floému) a felogén (tvorba sekundárních krycích pletiv) 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 Interkalární meristém ve stéble pšenice (Triticum) zóny dělivého pletiva vmezeřené mezi pletiva trvalá - např. interkalární meristémy těsně nad kolénky trav http://botany.upol.cz/atlasy/anatomie/anatomieCR15.pdf 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 Kořen a kořenový apikální meristém (RAM) histogenová teorie: vypracovaná v r. 1870 Hansteinem. Označuje iniciály apikálního meristému, ze kterých vznikají buňky diferencující se výlučně v určité pletivo, jako histogeny. Rozeznává 3 hlavní histogeny: dermatogen dávající vznik pletivům krycím, periblem, dávající vznik pletivům základním a plerom, dávající vznik pletivům vodivým. V kořenu navíc rozlišuje kalyptrogen, dávající vznik kořenové čepičce. Vzhledem k tomu, že diferenciace pletiv vodivých a základních probíhá ve značné vzdálenosti od iniciál, je vymezení histogenů, zejména u apikálních meristémů stonku, problematické. V současné době se těchto termínů používá pouze v některých případech pro popis kořenových meristémů RAM • RAM (root apical meristem) tvoří buňky ve dvou směrech (SAM pouze v jednom): vlastní kořen (ale bez postranních pupenů) a buňky kořenové čepičky • Iniciály = kmenové buňky tvoří dvě buňky – novou iniciálu a dceřinou buňku, která se dále vyvíjí • Iniciály obklopují skupinu několika (4 až 7 u Arabidopsis, 800 až 1200 u kukuřice) mitoticky méně aktivních buněk, tzv. quiescent centre (QC) • QC reguluje diferenciaci sousedících buněk (inhibuje diferenciaci sousedních iniciál) a při občasném dělení doplňuje přesunuté iniciály • Správná lokalizace a vnímání auxinového maxima jsou důležité pro organizaci RAM • Vliv reaktivních forem kyslíku (ROS) Coudert et al. 2010 Arabidopsis meristematic zone organization and regulation of WOX5 expression in the QC. (A) Schematic representatio an Arabidopsis meristematic zone. The stem cell niche (outlined in black) contains QC cells (red), the cortex/endodermis initials (green), stele initials (orange lateral root cap/epidermis initials (purple), and CSCs (blue). ep, epidermis; c, cort en, endodermis; LRC, latera root cap; CC, columella cells Gray dots indicate starch granules. (B) Regulational model highlighting the comp interplay of phytohormones, TFs and signaling peptides on WOX5 expression levels a domain. Arrows indicate positive, barred lines indicat negative regulations. Transkripční faktor WUSCHEL-RELATED HOMEOBOX5 (WOX5) http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fpls.2015.00505/full Where the concentration of WOX5 is high enough, the stem cell niche is able to maintain pluripotent stem cells. Where the concentration of WOX5 is too low, the concentration of CDF4 rises and the cells differentiate into root tissue. http://phys.org/news/2015-05-biologists-roots-stem-cells.html The roles of auxin and cytokinin during root meristem develop The root apical meristem is divided into the stem cell niche where th quiescent center resides, the proximal meristem where cell division the elongation zone where cells expand, and the differentiation zon the specialized structures of cells emerge. As a result of auxin transporters (PINs), auxin traverses down the root and accumulat the tip in the region of the stem cell niche. A cycle of auxin flow is apparent in the proximal meristem region but reduced in the elonga zone, likely through cytokinin suppression of PINs. A gradient of importance of cytokinin and auxin is established with high auxin at stem cell niche and high cytokinin signaling at the transition zone b the proximal meristem and the elongation zone. This gradient is maintained at least in part through antagonisms between auxin and cytokinin that are facilitated by auxin induction of RR7 and RR15 (th suppress cytokinin signaling) and cytokinin induction of SHY2 (that PIN expression). In lateral roots, localized accumulations of auxin in pericycle mark the site where the lateral root emerges. Cytokinin ca suppress lateral root emergence by blocking the localized accumula of auxin, probably through the suppression of PINs. Arabidopsis root meristem development and growth. Schematic illustration of Nomarski differential contrast interference images showing tissue organization in the heart stage embryo and developing root meristem of Arabidopsis. (Left) Embryonic fate map highlighting the origin of the root meristem. Different tissues are represented in false colors, as indicated in the legend. (Right) Diagram representing postembryonic root meristem growth over time. At early stages of root development (3 days post-germination, dpg), root meristem size (represented by the white arrowhead) rapidly increases because of a prevalence of cell division over cell differentiation, thus allowing growth of the root meristem. At 5 dpg, final root meristem size (white arrowhead) is achieved by an increase in the rate of cell differentiation that equals the rate of cell division. This balance will be maintained for all the plant lifespan, ensuring continuous root growth. SCN, stem cell niche; PM, proximal meristem; EDZ, elongation/differentiation zone; TZ, transition zone. Perilli et al. 2012 Schematic of a longitudinal section of the Arabidopsis root tip with each stem cell type differentially colored. Inset: asymmetric cell division of CEI. The combinatorial action of auxin, SHR and SCR restrict ACD in space and time by activating CYCD6. Auxin acts downstream of SHR and SCR in augmenting CYCD6 expression. CYCD6 together with a heterodimeric partner cyclin-dependent kinase (CDK), through phosphorylation, inhibits the activity of RBR. RBR represses CEI division by forming a ternary complex with SHR and SCR. Sozzani and Iyer-Pascuzzi 2014 Kořenové vlásky • Vznik z buněk rhizodermis = trichoblastů (atrichoblasty = buňky, ze kterých nevznikají kořenové vlásky • Nejdřív viditelné jako malé „zduření“ apikální strany podlouhlé pokožkové buňky • Pak vrcholový růst podobný růstu pylové láčky • Proces vyžaduje gradient Ca2+, transport váčků GA a fúzi váčků s plasmatickou membránou RE 5. Schematic representation of the cytoarchitecture within the growing root hair apex. The tip is d with membrane-bound vesicles originating from the ER and Golgi apparatus delivering new cell wall material to wing tip. Together with endocytotic vesicles that are formed at the extreme tip they display a reverse fountain ing. ROP proteins are predominantly localized to the tip, together with hyperpolarization-activated Ca2+-ATPases ADPH oxidases. The latter are responsible for the formation of a tip-focused calcium and ROS gradient (yellow nt). A tip-focused pH gradient is also present. Microtubules (red lines) run along the length of the hair and control r’s growth direction, whereas actin cables (green) allow for polar vesicle trafficking. Balcerowicz et al. 2015 http://journal.frontiersin.org/article/10.3389/fpls.2015.01163/full Tvorba laterálních kořenů • Z pericyklu (mezi endodermis a cévními svazky) • Buňky před xylémovými póly (Pericycle Founder Cells, PFCs) jsou blokovány v G2 fázi buněčného cyklu a později mohou znovu spustit cyklus a tvořit postranní kořeny • Buňky před floémovými póly nejsou schopny tvořit postranní kořeny Vliv auxinu na tvorbu laterálních kořenů http://phys.org/news/2015-05-biologists-roots-stem-cells.html