Opylení a oplození u krytosemenných rostlin květenství vývoj poznání o opylování rostlin dehiscence prašníků přenos pylu ‏ klíčení pylu a růst pylové láčky syngamie a konfluace Sylabus přednášky •Květenství (snímky 3 – 9) –hroznovitá –vrcholičnatá •jednoduchá •složená •Opylení (snímky 10 – 25) –způsoby opylení (autogamie, alogamie) –přenos pylu –struktura a růst pylové láčky •Dvojité oplození - průběh (snímky 26 – 34) Květenství - inflorescence •soubory květů (zpravidla v horní části lodyhy) •květy vyrůstají v úžlabí listenů • •listeny nebo listence (na květních stopkách) mohou být pestře zbarveny = zvýšení nápadnosti květenství 800px-Poinsettia_2 http://en.wikipedia.org/wiki/File:Poinsettia_2.jpg http://www.latin-wife.com/Colombian-Flowers-/Bougainvillea-glabra.asp Květenství dělení podle způsobu větvení •hroznovitá (racemózní) – monopodiální –akropetální vývoj –výchozí forma = hrozen (racemus) – – •vrcholičnatá (cymózní) – sympodiální –bazipetální vývoj –výchozí forma = vrcholík (cymus) • http://web2.mendelu.cz/af_211_multitext/obecna_botanika/texty-organologie-kvetenstvi.html http://www.botanickafotogalerie.cz/napoveda/typ_kvetenstvi.php autorka kreseb: Anna Skoumalová-Hadačová Hroznovitá květenství - jednoduchá •1 - hrozen •2 - klas •3 - klásek •4 - jehněda •5 - palice •6 - hlávka, strboul •7 - chocholík •8 - úbor http://web2.mendelu.cz/af_211_multitext/obecna_botanika/texty-organologie-kvetenstvi.html http://apps.faf.cuni.cz/daidalea/docs/morphology/09_Kvety_a_kvetenstvi.pdf http://www.botanickafotogalerie.cz/napoveda/typ_kvetenstvi.php autorka kreseb: Anna Skoumalová-Hadačová hrozen Laburnum_anagyroides4 klas Bistorta_major_kvet klasek hlavka chocholik ubor 01_Helianthus_tuberosus6 Trifolium_medium_kvet 1 2 3 6 01_Adenostyles_alliariae1 7 8 •složený okolík lata chocholičnatá lata Hroznovitá květenství – složená homotaktická slozeny_okolik chocholicnata_lata lata Angelica_sylvestris_kvet Crambe_tataria3 Syringa_vulgaris2 Angelika Syringa Crambe Aster_linosyris2 Aster 01_Poa_pratensis_kvet Poa Vrcholičnatá květenství jednoduchá víceramenná jednoramenná dvouramenná dichasium jednoduché mnohoramenná viz dále v.k. složená vidlan Dianthus_sylvaticus1 monochasium vidlan vijan srpek šroubel vějířek VISCUM~1 Vrcholičnatá květenství jednoduchá, jednoramenná •vijan srpek šroubel vějířek vijan 01_Myosotis_sylvatica8 srpek Gladiolus_imbricatus3 sroubel větve neleží v jedné rovině s osou květenství a vyrůstají na téže straně větve = květy odchýleny na stejnou stranu vejirek větve leží v jedné rovině s osou květenství a zakládají se střídavě na protilehlých stranách Iris_sibirica2 větve neleží v jedné rovině s osou květenství a zakládají se střídavě na obou stranách = květy jsou ve dvou řadách větve leží v jedné rovině s osou květenství a zakládají se všechny na jedné straně Myosotis Gladiolus Iris Hemerocallis-PInk-Charm Hemerocallis •složené dichasium Vrcholičnatá květenství složená (homotaktická) kružel kruzel 03_Luzula_campestris5 vrcholik_mnohoramenny Sambucus_nigra_kvet2 mnohoramenný vrcholík Sambucus Luzula http://web2.mendelu.cz/af_211_multitext/obecna_botanika/texty-organologie-kvetenstvi.html http://apps.faf.cuni.cz/daidalea/docs/morphology/09_Kvety_a_kvetenstvi.pdf http://www.botanickafotogalerie.cz/napoveda/typ_kvetenstvi.php autorka kreseb: Anna Skoumalová-Hadačová vidlan vijanů vidlan šroubelů Počátky poznání procesu opylování •Německý lékař a botanik Rudolf Jakob Camerarius (1665 –1721) – první pokusy popisující pohlavnost rostlin, domníval se, že přenos pylu se děje jen větrem (1694 - De sexu plantarum epistola) •Anglický zahradník Philip Miller objevuje opylování hmyzem (The Gardeners and Florists dictionary, London 1724) •Německý botanik Johann Jakob Dillenius (1687 – 1747) objevil kleistogamii = vznik plodů a semen i tam, kde se květy vůbec neotevírají •Německý botanik Joseph Gottlieb Kölreuter (1733 -1806) již rozlišoval celkem čtyři typy rozmnožování rostlin: • – autogamii jako důsledek pohybu tyčinek a pestíků • – autogamii v uzavřených květech = kleistogamii • – anemofilii • – entomofilii 220px-Johann_Jacob_Dillenius První krok ke správnému vysvětlení oplození 1823 - Giovanni Battista Amici (1786-1863) prof. fyziky v Modeně = objev pylové láčky, jež proroste skrz čnělku do semeníku u Portulaca oleracea (Osservazioni microscopiche sopra varie piante, Memorie della Società Italiana delle Scienze, 19: 234 –255, Modena 1823) 1840 - zavedl do mikroskopické techniky používání olejové imerze Abiotický a biotický přenos pylu •vítr (větrosnubnost - anemogamie) • •voda (hydrogamie) • •opylovači • – hmyz (hmyzosnubnost - entomogamie) • – jiný živočich • • ptáci (ornitogamie) • • letouni (chiropterogamie) • • vačnatci, savci • • měkkýši (malakogamie) Tarsipes_rostratus_posum Wikipedia Anemogamie - přenos pylu pomocí větru •přizpůsobení květů: • – redukce květních obalů – není třeba lákat opylovače, ale velké investice do množství pylu (oleje + bílkoviny) • → „výroba“ pylu se energeticky „prodraží“ • – tyčinky - dlouhé nitky, pohyblivé prašníky (např. vrtivé prašníky trav) • – pyl = drobný, lehký, sypký, někdy s létacím zařízením = vzdušné vaky • – blizna - dlouhá, chlupatá výskyt: trávy, ostřice, jehličnany, ořešák, dub, bříza, topol, jasan, líska – doba kvetení před vývojem listů, které by bránily přenosu pylu Pinus Hydrogamie - přenos pylu pomocí vody •ve vodním sloupci, v proudu i na hladině •• přizpůsobení květů: • – redukované květní obaly • – dlouhé blizny k zachytávání pylu • – pyl - dlouhý nebo slepující se → lepší splývání ve vodě a zachycení na blizně •• výskyt: hvězdoše (Callitriche), růžkatce (Ceratophyllum), vodní mor (Elodea), některé rdesty (Potamogeton) hvezdosherb1 220px-Elodea_canadensis2_ies potamogetonpecherb1 http://botany.cz/cs/potamogeton-pectinatus/ https://www.google.cz/#q=Elodea http://botany.cz/cs/callitriche-palustris/ Hmyzosnubnost - entomogamie •nejstarší způsob zoogamního opylování a zároveň nejčastější způsob opylování krytosemenných rostlin •• prvními opylovači byli brouci (viz cykas), pak blanokřídlí, dvoukřídlí, motýli,... •• přizpůsobení květů: • – hmyz má dobrý čich → květy voní nebo páchnou • – zvětšení květních obalů • – hmyz je citlivější na modré části spektra a UV → přizpůsobení barev květů (noční motýli – bílé květy) • – „naváděcí čáry“ do středu květu a k nektariím • – strategie lákání opylovačů • produkce pylu, pylového tmelu a nektaru • zvyšování teploty • napodobování tvarů Ornithogamie •přenašeči pylu = ptáci •přizpůsobení květů: • – ptáci mají špatný čich → květy nevoní • – ptáci mají dobrý zrak, spektrum vnímaných barev se blíží našemu → červené květy • – robustní a velké květy uzpůsobené na větší hmotnost opylovače (ale existují výjimky, např. květy opylované kolibříky mohou být na tenkých stopkách a otočené dolů → kolibřík opyluje za letu pod květem) •• příklady: •– dřeviny rodu Protea (J. Afrika) – strdimilové (Nectarinidae) •– australská rostlina Anygozanthos „klokaní tlapa“ – medosavky •– Hawaii - šatovníci Chiropterogamie •přenašeči pylu = letouni •přizpůsobení: • – květy se otvírají v noci či za šera • – mají světlou barvu • – vydávají pachy plesnivění, kažení, hnití… •příklady: • – baobab a kaloni • – divoké banánovníky a kaloni → každou noc se odklopí nejvyšší listen a zpřístupní řadu květů a každou noc přilétá hejno kaloňů hodovat na nektaru. Přitom nanášejí na sebe pyl nebo opylují s již dříve nabraným pylem. Následující ráno listen i s květy uvadne a odpadne a zůstanou jen semeníky s oplozenými vajíčky. Nejdříve se odklápí listeny s květy samičími a až jsou všechny oplozeny, pak se otvírají květy samčí (proterogynie) Samosprašnost (autogamie) •= samoopylení = opylení květu přenesením pylu stejného genotypu z prašníku na bliznu •pyl z téhož květu (= idiogamie) – nutnost existence oboupohlavného květu a časová synchronizace dozrávání vajíček a pylu –přenos pylu při vzájemném dotyku tyčinek a pestíku (větrem, zavírání a otvírání květu - chasmogamie) –květy se vůbec neotvírají a opylení proběhne přímo v neotevřeném květu (v poupěti), kde se prašník s pylem přímo dotkne blizny = kleistogamie (krytosnubnost), kleistogamický květ (ječmen, Viola, Oxalis, Drosera) •pyl z květu téže rostliny (= geitonogamie) Výhody samosprašnosti •záruka vytvoření potomstva •není třeba opylovačů - výhodné v oblastech s nedostatkem opylovačů (např. v horách) nebo při rychlém osídlování krátkodobých biotopů •udržují se dobře adaptované genotypy •minimální genetické ztráty •není třeba vynakládat energii na lákání opylovačů příklady: hrách Arabidopsis •především evoluční: •nedochází ke vzniku nových kombinací v genomu •mohou se kumulovat nevhodné mutace •klesá podíl heterozygotních jedinců v následujících generacích a vzrůstá homozygotnost, vznikají tzv. čisté linie. •roste „inbreeding“ mezi blízce příbuznými liniemi Nevýhody samosprašnosti Strategie zabránění samoopylení • •neslučitelnost (inkompatibilita) pylu a blizny daného jedince •časové oddělení zralosti pohlaví: –protogynie (proterogynie) = nejprve dozrávají vajíčka v semeníku (jabloň, Clematis) –protandrie (proterandrie) = nejprve dozrávají pylová zrna (šalvěje, zvonky) •prostorové oddělení pohlaví: –dvoudomost –heterostylie (různočnělečnost) = pyl z tyčinek se nemůže přenést na bliznu, i morfologické rozdíly (prvosenka, len, kyprej) •distylie •tristylie •samčí sterilita Inkompatibilita (neslučitelnost)‏ •= neschopnost rostlin tvořit semena, přestože mají funkční gamety •před 200 lety – J. G. Kölreuter •Verbascum: •po samoopylení netvořila semena •po cizosprášení ano • •Stout (1917) - studium fertility Cichorium intybus 225px-Josef_Gottlieb_Koelreuter Cizosprašnost (allogamie) •= přenesení pylu z tyčinek na bliznu květu jiného genotypu • •nevýhody: –potřeba druhého jedince –vyšší náročnost spojená s přenosem pylu = investice do přizpůsobení a množství pylu –nutnost tvorby odměn a lákadel pro opylovače • •evoluční výhoda: vznik nových kombinací v genomu – možnost reagovat na měnící se podmínky Samosprašnost a cizosprašnost v ovocnářství •samosprašný je strom nebo kultivar, pokud stačí k oplození pyl z libovolně umístěného květu stejného kultivaru (např. některé broskvoně, meruňky, višně) • •cizosprašný je strom nebo kultivar, pokud k opylení potřebuje jiný kultivar (na druhém stromu nebo i na větvi přiroubované na strom, o jehož opylení se jedná (např. hrušně, jabloně, třešně, rybíz) Adheze pylu na blizny – první kontakt •je podmíněná: • – morfologií exiny pylového zrna • – pylovým tmelem (lipidy a proteiny, glykoproteiny) • – typem blizny (Hanf 1935) - vlhká nebo suchá blizna) vlhké blizny – v době zralosti pokryté tekutým exudátem = voda, glycidy, lipidy (Solanaceae, Liliaceae, Poaceae) Nicotiana Arabidopsis suché blizny – kryté proteiny, kutikulou nebo voskem (Brassicaceae, Caryophyllaceae) lil_gr2 Morfologie exiny pylového zrna Helianthus Passiflora Lilium Cucurbita zralé pylové zrno v době antheze •metabolicky v klidu •silně desikované ( obsah vody jen 15 – 35%) Místa interakcí samčího gametogytu s pestíkem povrch pylového zrna: pylový tmel proteiny ve sporodermě bliznový exudát tekutina kanálu čnělky placentární tekutina exudát mikropyle Willemsee (Haworthia – vlhká blizna)‏ Suché blizny a 3 buněčný pyl • •inkompatibilita sporofytického typu se projevuje již na povrchu blizny (proteiny z tapeta)‏ •je daná genotypem rostliny, která produkuje pyl (sporofytem) •bez ohledu na genotyp si pyl ponechává fenotypovou reakci dominantní alely • Suché blizny – s papilami blizna Torenia fournieri barvena Auraminem O blizna Arabidopsis barvena FM1-43 200 m 200 m Vlhké blizny a dvoubuněčný pyl • •inkompatibilita gametofytického typu se projevuje až při prorůstání pylových láček přes pletiva čnělky a zárodečného vaku = zastavování růstu pyl. láček • je určována genotypem samotného pylového zrna (gametofytu)‏ •u čeledí Viciaceae, Solanaceae Stadia klíčení pylu Edlund et al. 2004 1. adheze pylového zrna na blizně 2. rehydratace pylového zrna 3. klíčení pylového zrna 4. růst pylové láčky 2 3 Klíčení pylového zrna Cresti et al. 1992 •hydratace pylu •přesun aktinového cytoskeletu k místu klíčení •přesun vegetativního jádra •typy klíčení: •monosyfonické – nejčastější (u růží – větvení pylové láčky) •polysyfonické (Daphne mezereum – lýkovec jedovatý, Althaea - proskurník topolovka, Scabiosa – hlaváč) Lord 2001 Lilium Ipatiens Ontogeneze pylové láčky •aktivace pylového zrna - hydratace •klíčení pylového zrna •invaze pylové láčky do blizny – esterasy (kutinasy), proteasy, RNAsy •růst pylové láčky •stárnutí pylové láčky • Plné a duté čnělky Arabidopsis Lilium Lord 2001 Převodové pletivo Kanálek ohraničený žláznatou pokožkou Podélný kryostatový řez čnělkou tabáku plná čnělka s převodovým pletivem převodové pletivo = podélně protáhlé buňky s mezibuněčným prostorem vyplněným pektiny i proteiny Pylová láčka •Prasknutí intiny a růst pylové láčky •Do rostoucí pylové láčky se přesouvá celý obsah pylového zrna, v pylovém zrnu tvorba vakuoly •Intenzivní proudění cytoplazmy v rostoucí láčce •BS se skládá s pektinů, kalózy, celulózy (6-7 %) a hemicelulóz (nejvíc pektinů ve vrch. části, postupně přibývá kalóza) •Tvorba kalózových zátek http://cdn.biologydiscussion.com/wp-content/uploads/2016/11/clip_image018-17.jpg http://www.biologydiscussion.com/palynology/pollen-pistil-interaction-and-its-significance/64518 Struktura pylové láčky Mascarenhas 1993 •čepička •pod čepičkou = zóna vysokého obsahu proteinů •zóna komplexního endomembránového systému •vakuolizovaná část (kalózové zátky) Model pro růst pylové láčky lilie Lord 2000 AGP - arabinogalaktanové proteiny stigma-style cysteine-rich adhesin Fig. 4 A model for lily pollen tube growth and adhesion on the transmitting tract epidermis of the style. Vesicles containing esterified pectins and arabinogalactan proteins fuse with the plasmamembrane at the tip where the cell wall is thin. Only fine actin filaments are found here and there is a tip-focused gradient of Ca2+. De-esterification of pectins begins at the tip; in the wall away from the tip only de-esterified pectins are detected. The callose secondary wall forms behind the tip in the area of reverse fountain cytoplasmic streaming at the cortex of the tube cell. The male germ unit, which is composed of the tube cell nucleus and the generative cell (or two sperm cells), is tethered to the cytoskeleton and moves forward with tip growth but does not stream with the organelles. The secretory transmitting tract epidermis cells are covered with de-esterified pectins and stigma-style cysteine-rich adhesin (SCA), which bind to the pollen tube wall. The adhesion events between the tube cell and the style cells might cause the f-actin configurations that appear to be focal adhesions (*) in lily, which are seen only in the in vivo pollen tubes. Reproduced, with permission, from Lord, 2000 Růst pylových láček Camacho et Malhó 2003 vysoce polarizovaná fůze váčků, které transportují složky buněčné stěny k vrcholu hlavní roli v regulaci hraje gradient [Ca 2+] vrcholový nejrychlejší po vyklíčení (0,5 – 3 mm/hod.) Pollen tubes are among the most rapidly extending cells, growing up to 50 mm min±1. These growth rates are possible due to a highly polarized apical fusion of vesicles, which transport cell wall components to the growing tip (Steer and Steer, 1989). A tip-focused [Ca2+]c gradient is known to play a central role in the regulation of pollen tube growth and modulation of the [Ca2+]c concentration results in changes in the rate and direction of growth. (Pierson et al., 1994; Malho¬ and Trewavas, 1996). One of the targets of this Ca2+ signalling PT-tip_Malho Model pro růst pylové láčky Agapanthus Camacho et Malhó ( 2003) Endo–exocytosis in the pollen tube apex is diferentially regulated by Ca2+ and GTPases. J. Exper.Bot. fosfolipáza C fosfatidilinositol difosfát Přesun MGU v průběhu klíčení pylu u Arabidopsis Lalanne et Twell, PP 2002 MGU translocation during in vivo pollen germination in wild type, gum1, and mud1. Wild-type (a), gum1 (b), and mud1 (c) pollen 20 min after pollination. Typical appearance of the MGU during entrance into the pollen tube 50 min after germination in wild type (d), gum1 (e), and mud1 (f). Fáze vedení pylové láčky u Arabidopsis thaliana. Higashiyama et al. 2003, Curr. Opinion in Plant Biology suchá blizna Figure 1. The gametophytic phase of pollen-tube guidance in Arabidopsis thaliana. (a) A schematic representation and (b) a fluorescence image stained with aniline blue of ovules of wildtype Arabidopsis. (a) Blue solid lines are pollen tubes growing from pollen grains toward the female gametophyte. Some pollen tubes lose their way in the regions surrounded by dashed circles when the female gametophyte is defective, suggesting the existence of directional signals that emanate from the female gametophyte in these regions. In Arabidopsis, pollen-tube guidance by the female gametophyte is governed by at least two processes: funicular guidance and micropylar guidance. (b) The diameter of the pollen tubes attracted to each ovule is about 5 μm. Stárnutí pylové láčky •pozorováno jen u láček pěstovaných in vitro •zastavení růstu •utvoření kalózové čepičky na vrcholu láčky •vakuolizace vrcholové části •degenerace celého obsahu • Regulace růstu pylových láček Torenia Torenia Arabidopsis Higashiyama et Hamamura 2007 https://link.springer.com/article/10.1007/s00497-007-0064-6 WT magamata FG mutant Weterings a Russel 2004 Navigace pylové láčky Palanivelu a Preuss 2006 neoplozená vajíčka A. thaliana emitují difusibilní, vývojově regulované, druhově specifické atraktanty vajíčka penetrovaná pylovými láčkami rychle uvolňují repelenty Lat52:GFP A. thaliana - růst pylových láček in vitro Pollen tubes avoid targeted ovules. Two examples (a–h and i–p) of pollen tube avoidance by ovules approached by three pollen tubes (false color: green, the tube that enters the micropyle (*); pink and red, tubes that arrive later and do not enter; entire set of original images are presented in Additional Files 3 and 4). Elapsed time in minutes; Scale bars, 100 µm. A HindIII fragment encoding GFP expressed from a postmeiotic, pollen-specific LAT52 promoter [25], was cloned into PBI121 (Clonetech, CA) and introduced into A. thaliana (Columbia) plants by Agrobacterium-mediated transformation. Oplození u rostlin • • jednoduché (syngamie) • rostliny cévnaté výtrusné • rostliny nahosemenné • • dvojí (syngamie a konfluace) • rostliny krytosemenné (dvouděložné a jednoděložné) • Dvojí oplození u krytosemenných rostlin •1898 - popsal ruský botanik Sergej Gavrilovič Navašin •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 Neue Beobachtungen über Befruchtung bei Fritillaria tenella und Lilium martagon 1899 nezávisle na něm Francouz: Jean-Louis Guignard 1882 – popsal vývoj zárodečného vaku z buněk nucelu 1883 – potvrdil Flemingem pozorované podélné dělení chromozomů 1889 – potvrdil Strassburgerem popsanou meiozu 1899 – popsal dvojí oplození u rostlin 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 Typy růstu pylové láčky do zárodečného vaku •přes mikropyle (porogamie) - nejčastěji •chalázou (chalázogamie) •přes integumenty (mezogamie) • pylová láčka vstupuje do zárodečného vaku přes receptivní synergidu známky receptivity synergidy: • reorganizace cytoskeletu • Ca2+ akumulace • degenerace organel a plazmatické membrány Průběh oplození •vstup pylové láčky do synergidy •DNasa degeneruje vegetativní jádro a jádro synergidy •spermatická buňka je přenesena do vaječné buňky a druhá do centrální buňky (apozice plazmatických membrán) •svazky aktinových mikrofilament tvoří dvě koronovité struktury – zprostředkují kontakt jader •karyogamie – splývání jader: –syngamie –konfluace •plazmagamie – splývání cytoplazmy • – • Karyogamie a plasmagamie karyogamie = splývání jader syngamie – splývání jader vaječné a spermatické buňky - zygota konfluace – splývání polárních jader centrální buňky zárodečného vaku a spermatické buňky – primární jádro endospermu plasmagamie = splývání cytoplasmy buněk polární jádra degenero-vaná synergida centrální buňka z.v. pylová láčka vnitřní integument