Huseníček rolní Arabidopsis thaliana
květ gametogeneze
a oplození
C
K
A
G
pylové zrno
pylová láčka
vajíčko
embryo
embryogeneze
semeno
klíčení
semenáček
kořen
lístky
děložní
hypokotyl
růst a
zrání
týdny
Arabidopsis
thaliana
Životní cyklus
modelové rostliny
Arabidopsis thaliana
1 týden 3 týdny
4 týdny 6 týdnů
Arabidopsis thaliana – první sekvenovaný rostlinný genom
Floral dip, inzerční mutageneze, reportérové linie
The Arabidopsis Information Resource – www.arabidopsis.org
Arabidopsis – embryonální vývoj
Vývoj zygoty a časná embryogeneze
krytosemenných rostlin …
zygota bazální
buňka
terminální
buňka
základ
embrya
suspenzor
časné
embryo
suspenzor
globulární
stádium
stádium
srdce
stádium
torpéda
hypofýza
děložní
lístkykořenový
meristém
prýtový
meristém
… embryogeneze
Geny embryonálního vývoje rostlin
Geny embryonálního vývoje rostlin
mutace ovlivňující tvorbu základní osy embrya
Geny embryonálního
vývoje rostlin :
mutace způsobují
deleční vývojové typy
podél apikálně-bazální
osy embrya
(analogie s geny
velkých mezer
u drozofily ?)
semenáček
kotyledony
prýtový meristém
kořenový meristém
hypokotyl
kořen
„ Osudové mapování “ embrya: již od globulárního stádia
je možné rozlišit tři hlavní oblasti podél A – B osy
oktant globular srdce torpédo
1
2
3
Veškerý postembryonální růst rostlin pochází z meristémů
„Osudová mapa“
embryonálního kořenového
meristému Arabidopsis
- vývoj meristému je závislý
na signálech z rostliny
- rostliny se vyznačují výrazným
regulativním typem vývoje
Tvar vznikajících struktur
je dán různou rychlostí dělení buněk
Veškerý postembryonální růst rostlin pochází z meristémů
Apikální
meristém (M)
a základy
listů (L)
Arabidopsis :
meristém má
trojvrstevnou
strukturu,
vrstva L1 a L2 (tunica)
mají rovinu dělení
antiklinální,
corpus L3 má
roviny různé
listové primordium
tunica
corpus
kolméekvatoriální
roviny dělení
buněk pláště
L1 a L2
Charakter (kmenových) buněk prýtového meristému
je určován antagonistickými účinky genů :
- Shootmeristemless a Wuschel potlačují diferenciaci
a zajišťují proliferaci meristému
- Clavata3 naopak stimuluje diferenciaci
WT mutace STM
kmenové buňky
centrálního meristému
list list
diferenciace
diferenciace
(Kathy Barton,
Stanford)
Rostlinné
meristémy
jsou
schopny
regulace
odstranění špičky meristému vede k regeneraci
původního meristému
listové primordium
odstranění celého meristému vede ke tvorbě
nového meristému na novém místě
nový meristém
Regenerace u rostlin je POLARIZOVANÁ :
izolované části stonku regenerují vždy
- kořeny z bazální části řezu a
- stonek z nejbližšího pupene k apikální části
vrstva
meristemu
L2
( i )
květen-
ství
1
34
2 5
6
7
8
„Osudová mapa“
embryonálního prýtového
meristému Arabidopsis
- vývoj meristému je závislý
na signálech z rostliny
- rostliny se vyznačují výrazným
regulativním typem vývoje
Tvar vznikajících struktur
je dán různou rychlostí dělení buněk
Přechod z vegetativní do generativní fáze života rostliny
Přechod z vegetativní do generativní fáze života rostliny
Květní stimul – florigen (Čajlachjan 1936)
Květní stimul - Florigen
Transport FT proteinu z listu do meristému
Photoperiod
Vernalization
Autonomous pathway
GA biosynthesis
Fotoperioda a kvetení
Genetické řízení procesů vývinu květů
vegetativní meristém
krok 1
květní geny
př. Embryonic flower
meristém květenství
krok 2
geny meristémové identity
př. Leafy
květní meristém
krok 3
katastrální geny
př. Superman
tvorba květních
orgánových primordií
krok 4
homeotické geny
př. Apetala 3
determinace květních
orgánových primordií
Embryonic Flower
Genetické řízení procesů vývinu květů
vegetativní meristém
krok 1
květní geny
př. Embryonic flower
meristém květenství
krok 2
geny meristémové identity
př. Leafy
květní meristém
krok 3
katastrální geny
př. Superman
tvorba květních
orgánových primordií
krok 4
homeotické geny
př. Apetala 3
determinace květních
orgánových primordií
Geny meristémové identity
Gen LEAFY řídí tranzici vegetativního růstu v kvetení
Genetické řízení procesů vývinu květů
vegetativní meristém
krok 1
květní geny
př. Embryonic flower
meristém květenství
krok 2
geny meristémové identity
př. Leafy
květní meristém
krok 3
katastrální geny
př. Superman
tvorba květních
orgánových primordií
krok 4
homeotické geny
př. Apetala 3
determinace květních
orgánových primordií
Arabidopsis thaliana
katastrální geny
Arabidopsis thaliana
katastrální geny
Genetické řízení procesů vývinu květů
vegetativní meristém
krok 1
květní geny
př. Embryonic flower
meristém květenství
krok 2
geny meristémové identity
př. Leafy
květní meristém
krok 3
katastrální geny
př. Superman
tvorba květních
orgánových primordií
krok 4
homeotické geny
př. Apetala 3
determinace květních
orgánových primordií
KVĚT: komplex reprodukčních orgánů krytosemenných rostlin
pylová zrna
blizna (G) – W4
prašník (A) – W3
nitka
koruna (C) – W2
čnělka
pylová láčka
semeník
vajíčka
kalich (K) – W1
květní lůžko
stopka
1 2 3 4
pestík
tyčinka
koruna
kalich
1
24 3
sepal
Květní orgány jsou uspořádány v koncentrických kruzích
1 Sepal
2 Petal
3 Stamen
4 Carpel
sepal
petal
stamen carpel
sepal
Identita květních orgánů je determinována na základě
působení tří skupin genů - ABC
A genes B genes C genes
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
ABC model
B
A C
1 2 3 4
Sepal
(kalich)
Petal
(koruna)
Stamen
(tyčinka)
Carpel
(plodolist)
Homeotické geny s MADS-boxem řídí specifitu
květních orgánů:
model ABC u Arabidopsis thaliana
tři skupiny transkripčních faktorů ABC určují
specifitu čtyř květních kruhů
K (kalichu), C (koruny), A (tyčinek) a G(pestíku)
WT mutace A: apetala 2 mutace B: pistillata mutace C: agamous
KCAG (bisexuální) GAAG (hypersexuální) KKGG (samičí) KCCK (asexuální)
wild-typ
kalich koruna prašník pestík
mutant skupiny B
kalich kalich pestík pestík
mutant skupiny A
pestík prašník prašník pestík
mutant skupiny C
kalich koruna koruna kalich
MADS-boxové geny :
alternativní regulátory segmentace a vývoje
N … amino-terminální oblast (extenze)
MADS - box … konzervativní 5’-oblast
I … slabě konzervativní vmezeřená oblast
K … kóduje proteinovou doménu podobnou
cívkové struktuře keratinu
C … karboxy-terminální oblast (aktivátor)
M … MCM1 gen kvasinky
A … agamous květní gen Arabidopsis
D … deficiens květní gen Antirrhinum
S … serum response faktor člověka
Domény účinku homeotických genů ABC
studované s pomocí GUS
1 Sepal
2 Petal3 Stamen
4 Carpel
Exprese genů třídy B
1 Sepal
2 Petal
3 Stamen4 Carpel
Exprese genů třídy B
Geny třídy D a E se rovněž uplatňují v determinaci květních orgánů
Kvartetový model
Rostliny mají homeotické geny dvojího typu
- MADS-boxové … řídí identitu květních kruhů
- homeoboxové … určují architekturu vegetativních částí
složený list složený list vyššího řádu transgenní rajče
wild-typu u transgenního rajčete bushy
rajčete s chimérickým genem knotted1
fenotyp ( Petroselinum )
Proteiny skupiny POLYCOMB
- jsou antagonisty (represory) homeotických
genů s homeoboxem či MADS doménou
- specifikují místo účinku homeotických
transkripčních faktorů
Arabidopsis CURLY LEAF versus AGAMOUS
Justin Goodrich
(Edinburgh)
listy
wild-typu
listy mutace clf :
ektopická
exprese květního
genu AG
Úlohy komplexů
POLYCOMB
v životním cyklu
rostlin
Samčí a samičí sporogeneze, gametogeneze a dvojí oplození
u Arabidopsis
MEGASPOROGENEZE A
MEGAGAMETOGENEZE
programovaný
zánik tří
megaspor migrace jader
cíl
oplození
megagametofyt
antipody
oocyt
centr. zár. vaku
synergidy
syncytium
celularizace
MIKROSPOROGENEZE
A MIKROGAMETOGENEZE
- gametofyt je haploidní, vyžaduje specifickou genovou expresi
- představuje střídání životních cyklů, rodozměnu
- model buněčné biologie, asymetrická první pylová mitóza
- generativní buňka je uvnitř buňky vegetativní (Bacillus subtilis!)
- řízený růst a zánik buňky vegetativní (pylová láčka)
- vznik dvou funkčních „souřadných“ spermií (?)
mutant: kvartet
mutant: symetrická
zralé pylové zrno pylová mitóza
mutant :
sidecar
V S
Dvojí oplození u krytosemenných rostlin :
Sergej Gavrilovič Navašin 1898
1p : 2m
1p : 1m
Maternální či paternální exces vedou k narušení
exprese imprintovaných genů v endospermu
Rod Scott
(Bath 1998)
Diploidní WT:
embryo 1:1 (M:P)
endosperm 2:1 (M:P)
Maternální exces:
embryo 3:1 (M:P)
endosperm 6:1 (M:P)
Paternální exces:
embryo 1:3 (M:P)
endosperm 2:3 (M:P)
Euripides
(480–406 př. Kr.)
DŮKAZ TEORIE PARENTÁLNÍHO
KONFLIKTU U ROSTLIN
Řecká tragédie
MEDEA
(431 př. Kr.)
… Medea zabíjí
své děti za
Iásonovu zradu …
Parentální imprinting u rostlin : maternální efekt genu
MEDEA
maternální wt-alela: kontrola
(redukce) embryonální proliferace
Ueli Grossniklaus
(Zurich 1998)
wt
mutace medea
MM / mm
/ -
Fenotyp mutace medea
• embryo odvozené z vajíčka
medea nadměrně roste a
umírá v průběhu desikace
semene
• letalita embrya je
nezávislá na paternálním
příspěvku a dávce genu
• embryo vykazuje zvýšenou
buněčnou proliferaci na
úkor endospermu
DEMETER řídí maternální expresi genu MEDEA
Steve Jacobsen
(UCLA 2002)
DME / DME dme / DME dme / dme
abort
viabilní
GUS GFP
exprese
DME
v centrální
buňce
samičího
gametofytu
(DNA glykosyláza?)
udržovací metylace DNA
umlčený gen MEDEA
vegetativní fáze
vývoje
embryo
Irreversibilní demetylace genu MEDEA
v samičím gametofytu Arabidopsis
(konvergentní evoluce se savčím imprintingem)
dvojí oplození
spermie
vaječná buňka centrální buňka (diploidní)
samičí
gamety
demetyláza
založení exprese MEDEA v endospermu
Imprintované geny u rostlin
Gen druh exprese mechanismus funkce
MEDEA Arabidopsis maternální Polycomb remodelování chromatinu
PHERES1 Arabidopsis paternální Polycomb transkripční faktor
FWA Arabidopsis maternální DNA-metyltransferáza transkripční faktor
FIS2 Arabidopsis maternální DNA-metyltransferáza remodelování chromatinu
FIE Arabidopsis maternální ? remodelování chromatinu
AGL80 Arabidopsis maternální ? transkripční faktor
AtFH5 Arabidopsis maternální ? regulace aktinu
FIE1 kukuřice maternální DNA-metyltransferáza remodelování chromatinu
FIE2 kukuřice maternální DNA-metyltransferáza remodelování chromatinu
R kukuřice maternální ? syntéza pigmentu
… Oidipovský komplex