fyziologie rostlin - Lab. biologie pylu

Transkript

FYZIOLOGIE
ROSTLIN
Fyziologie rostlin
Vývojová biologie
1 Základní
1.
Zákl d í aspekty
k růstu
ů
a
vývoje rostlin
2. Embryonální období
3. Vegetativní období
Vývojová biologie I + II
David Honys
Katedra fyziologie rostlin PřF UK
Přednáška B130P14: Fyziologie rostlin. http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr
2007 Katedra fyziologie rostlin, UK PřF, Dr. David Honys
4 Generativní období
4.
5. Nepohlavní rozmnožování
6. Senescence
Amorphophallus titanum
ZÁKLADNÍ ASPEKTY
RŮSTU A VÝVOJE
ROSTLIN
Pavlová, Fyziologie rostlin
Ontogeneze sporofytu
semenných rostlin
1
Vznik a vývoj mnohobuněčnosti
Stavba mnohobuněčného těla
Stejný vývojový problém
k řešení
pro rostliny i živočichy
Divergence rostlin a
živočichů před miliardou
let ze společného
jednobuněčného předka
Podobná
P
d b á genetika,
tik biochemie
bi h i
i buněčný aparát
Pro koordinovaný vývoj
nutná komunikace mezi
buňkami
Kontrola vývoje
p
prostřednictvím
komplexních genetických
regulačních sítí
Čím jsou určeny tak odlišné a
specializované osudy různých buněk?
Nezávislý vznik a
následná evoluce
mnohobuněčnosti
www.anticancer.com
Růst a vývoj rostlin
Buchanan (2000)
BaMBoP
Zásadní rozdíly ve vývoji
rostlin a živočichů
Rozdílné „uchopení“
problému v obou říších
Meyer (2002)
Science
Rostliny reagují na řadu signálů
okolního prostředí
Variabilita
V
i bilit ttvaru listů
li tů v závislosti
á i l ti
na vlivech vnějšího prostředí
Stavba rostlinného těla není předem určená
Významný podíl nediferencovaných buněk
Vodní rostlina
Neobeckia aquatica
Přítomnost buněčné stěny brání migraci buněk
Poziční určení buněčného osudu
Absence buněčných linií
Neelima Sinha
Neukončený vývoj
Amorphophallus titanum
2
Organizace mnohobuněčného rostlinného těla
Fenomén buněčné stěny
Základní rozdíly v dělení
živočišných a rostlinných buněk
Buňky ohraničeny pevnou buněčnou stěnou
Buňky
ve
skořápkách
Žádná migrace buněk
Rozděl se
a natáhni !
www.molecularexpressions.com
Morfogeneze je určena …
… frekvencí a orientací buněčného dělení
… směrem buněčného růstu
Nikoli migrací buněk !!!
Orientace buněčného dělení,
buněčné vrstvy a morfogeneze
Iniciace laterálních kořenů
Přísná kontrola orientace buněčného
dělení během morfogeneze
Wolpert (1998)
Principles of Development
Bowman (2001)
Uvnitř
orgánu
Vně
orgánu
Základní aspekt morfogeneze
Kontrola roviny buněčného dělení ve vztahu v povrchu rostlinného těla
Primordia laterálních
kořenů vznikají
periklinálním dělením
pericyklu
Povrch
orgánu
3
Postembryonální vývoj rostlin
Veškerý postembryonální vývoj rostlin začíná v přesně
definovaných oblastech buněčného dělení - meristémech
Stáří rostlin, aneb jak dosáhnout věčného mládí?
Kořenový apikální
meristém
Stonkový apikální
meristém
Založení všech hlavních orgánů
Kořeny, stonek, listy, květy
Primární
meristémy
založeny již
v embryu
Nediferencované
kmenové buňky
Regenerace rostlin z izolovaných somatických buněk
4 844 let - Pinus longaeva (Bristlecone Pine),
Wheeler Peak, Nevada, USA, Donald R.
Currey (1964)
4 789 let - Methusela, Methusela Walk,
California, USA E. Schulman, T. Harlan
Lomatia tasmanica
Kings Holy,
(Proteaceae)
nejstarší živý klon
starý 43 600 let
David Twell (2006)
Wolpert (1998)
Většina rostlinných buněk není terminálně diferencovaných
Wolpert (1998)
Totipotence rostlinných buněk
Minoritní role maternálních determinant u rostlin
Nejčastější způsob produkce transgenních rostlin
4
Životní cykly rostlin a živočichů
Mezibuněčná komunikace
Chemické signály
Fytohormony
(Auxin)
www.ualr.edu
www
ualr edu
/botany/
www.molecularexpressions.com
Graham (2003)
Rostliny
Fyzické propojení buněk
Plasmodesmata
Syncytium
Živočichové
Diploidní organismus produkuje haploidní spory
Spory dávají vznik gametofytu
V gametofytu dochází k produkci gamet
Gamety jsou tvořeny přímo diploidním
organismem
Modelové rostliny
pro studium
růstu a vývoje
Volvox
tabák
mechy
Fucus
huseníček
Gary Drews
Samčí a samičí gametofyt
rýže
www.mcb.ucdavis.edu
kapradiny
www.luc.edu
kukuřice
rajče
5
Huseníček – octomilka rostlinné vývojové biologie
Sekvence genomu huseníčku je
známá a plně anotovaná
www.tigr.org
www.arabidopsis.org
Snadné pěstování
Minimální prostorové nároky
Krátká generační doba (od semena k semeni 66-88 týdnů)
Samosprašná, snadné křížení
Diploidní genom – projevy recesivních mutací
Malý počet chromosomů (n = 5, 2n = 10)
Velice malý genom - 120Mb
Nízký podíl repetitivní DNA ~15 %
Známá sekvence celého genomu
120 MBp
MB
5 chromosomů
31 000 genů
Jednoduchá transformace
Snadná mutageneze a genetické mapování
Dormancy
Wolpert (1998)
Základní aspekty růstu a vývoje rostlin
Růst a vývoj rostlin, morfogeneze
EMBRYOGENEZE
Kontrola buněčného dělení
Rovina buněčného dělení
Intenzita a směr buněčného růstu
Veškerý postembryonální vývoj závisí na aktivitě
meristémů a v nich přítomných nedifrencovaných
kmenových
ý buněk
Zásadní význam mezibuněčné komunikace
Chemické signály – fytohormony
Propojení buněk plasmodesmaty
6
Embryogeneze / vývoj semene
Oplození
Dvojité
oplození:
plazmogamie
+
karyogamie
=
syngamie
Vajíčko
Semeno
Vaječná buňka
2n embryo
Centrální buňka
3n endosperm
Nucellus
2n perisperm
Vaječné obaly
Struktura semene
2n testa
Ustanovení stavebního plánu budoucího
rostlinného těla záhy po oplození
Vývoj uspořádanosti (Pattern formation)
Vývojový proces, při kterém jsou buňky a pletiva
uspořádány do správného tvaru a komplexní
struktury rostlinného těla na základě příslušného
stavebního plánu
Buněčné dělení
Buněčný růst
Morfogeneze
Poziční určení
buněčného osudu
www.botany.org/plantimages/
7
Dvojité oplození
semenných rostlin
Deriváty apikální a bazální buňky
Výrazná polarizace zygoty
Apikální konec – hustá cytoplasma
Oplozené
vajíčko
huseníčku
Embryo
Bazální konec – centrální vakuola
Suspenzor
Taiz, Zaiger (2003)
Plant Physiology
Embryo
huseníčku
První zygotické dělení je kolmé k budoucí podélné ose embrya
Výrazně asymetrické buněčné dělení ustaví směr osy
Dvě buňky základem buněčných linií s velmi odlišnými osudy
Wolpert (1998) Principles of Development
Vývoj embrya huseníčku
Během embryogeneze jsou založeny hlavní rysy rostlinného těla
Embryo – vysoce polarizovaná struktura
Dva typy polarity v embryích
(podle podélné osy souměrnosti)
Axiální polarita
Založena již v zygotě
A iál í (apikálně
Axiální
( ikál ě bazální)
b ál í) polarita
l it
Radiální polarita
Přímý vznik
pletiv a orgánů
dospělého těla
Formování primárních meristémů
aktivace až po vyklíčení
Úloha auxinu v časné embryogenezi
David Twell (2006)
Wolpert (1998)
Principles of
Development
Radiální polarita
stonku a kořene
Huseníček periklinální dělení již
v oktetovém stádiu
Základní aspekt morfogeneze
Kontrola směru buněčného dělení ve vztahu v povrchu rostlinného těla
8
Vývoj embrya huseníčku
Nejranější období vzniku uspořádanosti
(pattern formation) huseníčku
Apikální pól
Apikální linie
Bazální linie
Radiální
symetrie
Bilaterální
symetrie
Zygota
Dvojbuněčné
proembryo
Dvě buňky
Oktet
Bazální pól
Elongace
Přesně definovaný sled buněčných dělení
Wolpert (1998)
Vznik protomeristémů velice záhy po oplození
Základní metodický přístup:
wt
studium mutací
SIGNAL?
David Twell (2006)
Přechod z oktetového do dermatogenového stadia
Základ budoucích vrstev pletiv
protoderm
yoda
Yoda (yda)
Stimulace
bazálního (extraembryonického,
suspensorového)
buněčného osudu
(buněčné linie,
vývojové
ý j éd
dráhy,
áh
genetického
programu)
Represe apikálního
(proembryonálního)
buněčného osudu
MAPKKK
Narušení
elongace
zygoty
wt
wt
(
)
základní ppletiva (kůra)
vodivá pletiva
MAPKK
MAPK
Osm buněk
BASAL
CELL
FATE
yoda
epidermis
Změna orientace buněčného dělení
David Twell (2006)
Lukowitz (2004) Cell
Šestnáct buněk
9
Dermatogenové stadium – bazální buněčná linie
Základ kořenového apikálního meristému
Iniciála
klidového
centra
Hypofýza
Apikálně-bazální organizace embrya a semenáčku
Iniciála
kořenové
čepičky
Naprostá většina rostlinného těla je produktem apikální buňky
Hypofýza - derivát bazální buňky
Šestnáct buněk
Rané globulární embryo
David Twell (2006)
Radiální organizace embrya a semenáčku
kolumela a klidové centrum
Srdčité stádium: tři oblasti
Apikální oblast
dělohy a apikální meristém
Střední oblast
hypokotyl, kořen, většina kořenového meristému
Hypofýza
zbytek kořenového meristému
Kořenový apikální meristém
epidermis
primární kůra
Jeho deriváty - klony
buněk, které pak dávají
vzniknout jednotlivým
pletivům
endodermis
stélé
Globulární až srdčité stádium: tři oblasti
Protoderm
epidermis
Základní meristém
kortex, endodermis (kořen a hypokotyl)
Prokambium
vodivá pletiva, pericykl (kořen)
www.plantsci.cam.ac.uk/Haseloff/
Specifická a přesně
regulovaná aktivita genů
v kořenové špičce
10
Homeotická mutace agamous
Základní metodický přístup podruhé:
studium mutací
Správná organizace
embrya vyžaduje
specifickou a precizně
regulovanou
genovou expresi
časná exprese výhradně
v oblasti budoucího
apikálního meristému
shoot meristemless – blok
formování apikálního
meristému
Třídy
embryonálních
mutantů
Relativní nezávislost regulace
vývoje tří oblastí
embryonálního těla
Wolpert (1998)
Základní metodický přístup:
studium mutací
Kontrola axiální polarity
Gurke (gk)
Fäckel (fk)
Dramatický fenotyp:
úplná absence děloh
absence hypokotylu, redukce
kořenů, zmnožení meristémů
Abnormální buněčná dělení
již v raném srdčitém embryu
NENÍ transkripční faktor!
Sterol C14 reduktasa,
syntéza brasinosteroidů
časná exprese výhradně
v oblasti budoucího
shoot meristemless – blok
formování apikálního
meristému
Torres-Ruiz (1996) Plant J.
Schrick (2000) Genes Dev.
11
gnom
monopteros
(mp)
Projevy již při asymetrickém dělení zygoty
Embryo: formování primárního kořene
Postembryonální období: vývoj vodivých pletiv
sférický tvar a úplná absence
apikálně-bazální polarity
Projevy od osmibuněčného stadia
Fenotyp
Semenáčky: absence hypokotylu a kořínku
Dospělost: chybějící či abnormální
vodivá pletiva, adventivní kořeny
Kontrola
axiální i radiální polarity
Fenotyp
Dezorganizace orientace buněčného dělení
Zachování určité míry axiální polarity
Variabilita počtu děloh
Narušení vývoje vodivých pletiv
hobbit
(hbt)
Kontrola vývoje (proto)meristémů
Projev již ve dvou- až čtyřbuněčném stádiu, při dělení prekurzoru hypofýzy
Fenotyp
Absence hypofýzy,
kořenový meristém
postrádá
ádá klidové
klid é
centrum a kolumelu
S t i
Syntaxin
vezikulární transport
Fenotyp
Dezorganizace frekvence a orientace
buněčného dělení
Narušení radiální organizace pletiv
shootmeristemless
(stm)
fass
(fs)
Projevy již při
asymetrickém
dělení zygoty
knolle
((kn))
www.sfu.ca
Torres-Ruiz (1994) Development
Lukowitz (1996) Cell
VEGETATIVNÍ
FÁZE VÝVOJE
Fenotyp
Diferenciace buněk
v oblasti apikálního
meristému
Projev před
dosažením
torpédovitého
stádia
Supresor buněčné
diferenciace;
marker buněk
Willemsen (1998)
Development
Lenhart (2002)
Development
12
Postembryonální vývoj rostlin
Modulární stavba
rostlinného těla
Primární meristémy založeny již v embryu
Vznik primárních pletiv a orgánů tvořících primární rostlinné tělo
Funkční paralely
mezi fytomerami
a segmenty
živočišného těla
K vývoji většiny orgánů rostlinného těla dochází v postembryonálním období
Zakládání listů a osy symetrie nadzemních částí rostliny
Aktivita primárních a sekundárních meristémů
Dělení meristémů dle polohy:
Felogen, kambium
vrcholový (apikální)
Primární apikální meristémy
Meristémy
Populace malých isodiametrických
buněk
„
„Věčné“
trvání embryonálního
y
charakteru meristému
interkalární (vmezeřený)
axilární (v paždí listů)
Část buněk nenastoupí cestu
diferenciace, ale zachovává si dělivou
schopnost po celou dobu existence
vegetativního meristému
okrajový (marginální)
Kmenové buňky
Nediferencované buňky; dříve zvány iniciály
Po rozdělení si jedna dceřinná buňka zachová charakter buňky
kmenové a druhá nastoupí diferenciační dráhu
13
Stonkový apikální meristém
Primární apikální meristémy
Stonkový
apikální meristém
Obvykle
x00 – 1000
Buněk
Huseníček
60 buněk
Vysoce dynamická struktura
Průměr 100 – 300 µm
Kořenový
apikální meristém
Malé tenkostěnné buňky s hustou
cytoplasmou postrádající velkou
centrální vakuolu
Iniciace stonku i laterálních orgánů
Často sezónní aktivita
Organizace apikálního meristému
Jsou meristémy jedlé ?
Tunika
Korpus
Tři distinktní
buněčné vrstvy L1,
L2 a L3
květák
ap1cal double mutant
Cytohistologické zóny
Bowman (2001)
Centrální mateřské buňky – vznik nových buněk
Periferní meristém – vznik listů a květů
huseníček
Žebrový meristém – dělí se a tlačí meristém nahoru
14
Oblasti meristémů tvoří symplast
Apikální meristém – dvouděložné rostliny
Zviditelnění symplastických oblastí SAM
5s
(rychlý symplastický
pohyb barvičky)
Fluorescentní barvička
Fluorescentní
Lucifer Yellow CH
15 s
(jasně viditelné
hranice symplastu)
30 min
(stabilní oblast
odpovídající
příslušné zóně)
Development
125, 14771477
-85 (1998)
Přednáška B130P14:
Fyziologie
rostlin.
huseníček
M = meristém; L = listová primordia
http:/kfrserver.natur.cuni.cz/fr
Wolpert (1998)
Apikální meristém
Apikální meristém – jednoděložné rostliny
peripheral
zone
central zone
kukuřice
Wolpert (1998)
http://maize-meristems.plantgenomics.iastate.edu
SAM = meristém; P/L = listová primordia
Nediferencované kmenové buňky se dělí pomaleji
15
Poziční určení buněčného osudu
Regulace vývoje meristémů
Wolpert (1998)
L1 – epidermis;
L2 a L3 – kůra a vodivá pletiva
Wolpert (1998)
Většinou antiklinální dělení (kolmé k povrchu)
Periklinální dělení – „přechod“ buněk z vrstvy L1 do L2 či naopak
„Odsunuté“ buňky přijmou buněčný osud svých sousedů
Organizace apikálního meristému
je dána
specifickou genovou expresí
Signální a regulační dráha Clavata
Clavata1 (CLV1)
Receptorová kinasa
g
membránová bílkovina s
integrální
receptorovou (vně) a kinasovou katalytickou
doménou (uvnitř)
Clavata2 (CLV2)
Částečný homolog CLV1
Receptorová doména a transmembránová
podobná CLV1
Kinasová doména chybí
Wolpert
(2007)
Principles of
Development
Waites and Simon (2000) Cell 103:835
Clavata 3 (CLV3)
Ligand receptorové kinasy CLV1/CLV2
Bowman (2001)
16
Fasciace
Gradient distribuce
transkripčních faktorů
ztráta kontroly velikosti meristémů
Analogie regulace vývoje syncytiálního
blastodermu octomilek
mRNA
LEAFY
Gradient distribuce – transport
plasmodesmy
Transportovány nejen bílkoviny,
ale i příslušné regulační RNA
protein
Fylotaxe
Fylotaxe
Uspořádání listů na
stonku
Uspořádání listů na
stonku
Wolpert (1998)
Pravidla určující
rozmístění listů
Taiz, Zaiger (2003)
Plant Physiology
Wolpert (1998)
Pravidla určující
rozmístění listů
Wolpert (2007)
17
Vývoj kořene
Funkce (evoluční tlaky)
Fylotaxe
Nový list se
vmezeří mezi dva
poslední a rozdělí
úhel, který svírají,
ve zlatém poměru
Genetická spirála
Souvisí s čísly
Fibonacciho či
Lucasovy posloupnosti:
Důsledky
Optimalizace tvaru
Absence laterálních orgánů
tvořených apikálním
meristémem
i é
Větvení v oblasti, která již
aktivně neroste
1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89 144 233 377 610 987 1597 2584 …
2 1 3 4 7 11 18 29 47 76 123 199 322 521 843 1364 2207 …
Růst zeminou
Absorpce vody a minerálních látek
v kapilárách
k ilá á h mezii čá
částicemi
ti
i zeminy
i
Čtyři vývojové zóny
Zvýšení absorpční plochy
přítomností kořenových vlásků
Čtyři vývojové zóny
Diferenciační/maturační zóna
Meristematická zóna
Dokončení buněčné diferenciace
Huseníček – délka 0,25 mm
Radiální charakter kořenových pletiv
Vznik jediného orgánu – primárního kořene
Klidové centrum
Elongační zóna
Rychlý dlouživý růst buněk
Kořenová čepička
Ochrana apikálního meristému při růstu
Významný pokles dělivé aktivity buněk se
vzdáleností
dál
í od
d meristému
é
Gravitropismus
Začátek diferenciace buněk
Sekrece mukopolysacharidů
Počátek vodivých pletiv
Taiz, Zaiger (2003)
Plant Physiology
Taiz, Zaiger (2003)
Plant Physiology
18
epidermis
primární kůra
Klidové centrum
Vzácná periklinální dělení – u špičky
Záloha meristematických buněk
Většinou antiklinální dělení – řady klonů
jedné kmenové buňky
Ochrana před účinky ionizuijícího záření
Jeho deriváty - klony
buněk, které pak dávají
vzniknout jednotlivým
pletivům
Taiz,
T
i Zaiger
Z i (2003)
Plant Physiology
endodermis
stélé
www.plantsci.cam.ac.uk/Haseloff/
Kapradiny (Azolla) – jediná kmenová buňka
Specifická a přesně
regulovaná aktivita genů
v kořenové špičce
Semenné rostliny (huseníček) – několik kmenových buněk
s konkrétní úlohou
Zakládání
postranních kořenů
Pericykl zralého kořene
Založení sekundárního meristému
Růst skrz primární kůru a epidermis
Zakládání postranních kořenů
Zpočátku zejména
antiklinální dělení
Od stadia 6 všechna pletiva
stejně jako v primárním kořeni
a radiální charakter postranních
kořenů
Taiz, Zaiger (2003)
Plant Physiology
19
Pericykl
www.biology.ualberta.ca
David Twell (2006)
Buchanan (2000)
BaMBoP
Rostliny reagují na řadu signálů
okolního prostředí
Variabilita
V
i bilit ttvaru listů
li tů v závislosti
á i l ti
na vlivech vnějšího prostředí
Vodní rostlina
Neobeckia aquatica
Ovlivnění růstu a vývoje rostlin světlem
Tři základní charakteristiky světla:
Doba osvitu
K
Kvantita
tit
Kvalita
Barevné složení bílého světla
V I B G Y Ö R
Neelima Sinha
20
Fotoperiodismus - fytochrom
Dvě formy fytochromu
R (red) – 660 nm
Detekce R a FR světla
• Pr - forma absorbující R světlo (660 nm)
FR (far-red) – 730 nm
Pr
• Pfr - forma absorbující FR světlo (730 nm)
Pfr
•
Pr
Vratný přechod
Pfr
Informace o okolním světě – tři základní otázky
•
Semeno: Kde to jsem? Jsem aspoň na světle?
•
Jsem sama nebo jsou kolem mě či nade mnou rostliny?
•
Není náhodou čas na kvetení?
Mám sousedy ?
Klíčení semen
K hluboko
uloženému
semeni neproniká
žádné sluneční
světlo
Červené světlo
proniká k semeni
Proč je to důležité?
Sousední rostliny představují ohrožení
Mohou růst výše a stínit
Semeno klíčí
Semeno neklíčí
Červené světlo => blízkost povrchu
Řešení
FR světlo se od
sousedních rostlin
odráží
Růst přinejmenším do stejné výšky jako
sousední rostliny
Potřeba vědět, že mám sousedy
Isolované rostliny většinou bývají kratší než
rostliny v hustém porostu
Vliv i dalších faktorů
Omezené množství zásobních látek
Semeno musí dorůst na světlo před vyčerpáním zásob
• Malá semena – často potřebují k vyklíčení světlo
Klíční rostlinky se na povrchu rovnají a otvírají listy
R světlo je
absorbované
sousedními
rostlinami
Obohacení světla FR složkou
=> rostlina má sousedy
21
Rostu pod jinými rostlinami?
Rozdílné optimální strategie růstu
zastíněných a osvětlených rostlin
R světlo je
pohlcené
sousedními
rostlinami
Je ta pravá doba k vykvetení?
FR světlo se
od sousedních
rostlin odráží
nebo jimi
proniká
Nutno rozlišit, zda
• je rostlina zastíněná okolními rostlinami
nebo
• je jen zataženo
nabo
• je podvečer
Nespolehlivé indikátory
•
•
•
Teplota
Vzdušná vlhkost
Celková úroveň osvětlení
Spolehlivé indikátory
•
Délka dne a noci
– Mění se s ročním obdobím
– Mění
Mě í se se zeměpisnou
ě i
šířk
šířkou
•
Receptorem fytochrom
Světlo bohacené FR => Jsou tam !
Distribuce fytochromu v etiolované
klíční rostlince hrachu
Dlouhý den = krátká noc
Dlouhodenní rostliny
•
•
•
Potřebují krátkou noc
Potřebují přítomnost Pfr za úsvitu
Pfr stimuluje kvetení krátkodenních rostlin v podmínkách dlouhého dne
Krátký den = dlouhá noc
Krátkodenní rostliny
• Potřebují dlouhou noc (kritická délka noci)
• Potřebují absenci Pfr za úsvitu
• Pfr inhibuje kvetení krátkodenních rostlinv podmínkách dlouhého dne
22
Dlouhý den = krátká noc
LDP
SDP
Dlouhodenní rostliny
•
•
•
Potřebují krátkou noc
Potřebují přítomnost Pfr za úsvitu
Pfr stimuluje kvetení krátkodenních rostlin v podmínkách dlouhého dne
Dlouhý den: Pfr na konci krátké noci přetrvává
Pfr stimuluje kvetení dlouhodenních rostlin
Pfr inhibuje kvetení krátkodenních rostlin
Krátký den = dlouhá noc
Krátkodenní rostliny
• Potřebují dlouhou noc (kritická délka noci)
• Potřebují absenci Pfr za úsvitu
• Pfr inhibuje kvetení krátkodenních rostlinv podmínkách dlouhého dne
Čekání na správný čas …
… vegetativní růst až do doby vhodné k založení květů
Dlouhodenní rostliny (LDPs) čekají na dostatečně dlouhý den
Krátký den: Pfr na konci dlouhé noci chybí
Chybějící Pfr nestimuluje kvetení dlouhodenních rostlin
Chybějící Pfr neinhibuje kvetení krátkodenních rostlin
FYZIOLOGIE
ROSTLIN
– Ve skutečnosti čekají na dostatečně krátkou noc
Krátkodenní rostliny (SDPs) čekají na dostatečně krátký den
– Ve skutečnosti čekají na dostatečně dlouhou noc
Neutrální rostliny
Kvetou, když dostatečně dozrají
Nezáleží na délce dne / noci
Snad jiné signály okolí?
David Honys
23
GENERATIVNÍ
FÁZE VÝVOJE
Pavlová, Fyziologie rostlin
Ontogeneze sporofytu
semenných rostlin
Diploidně
dominantní
Haploidně
dominantní
24
Střídání generací
Životní cyklus mechorostů
Aautotrofní dlouhožijící gametofyt a na něm závislý heterotrofní sporofyt
Životní cyklus mechorostů
Životní cyklus (kryto)semenných rostlin
25
Tajemství (rostlinného)
sexu:
mechy
Gary Drews
Samčí a samičí gametofyt
www.mcb.ucdavis.edu
Huseníček thalův
kapradiny
www.luc.edu
Oboupohlavný
květ
krytosemenných
rostlin
David Twell (2006)
Úplný květ
čnělka
Jednopohlavné
květy
blizna
tyčinky
Neúplný květ
Jeden nebo
více květních
orgánů chybí
Všechny čtyři
květní orgány
kališní
lístky
(sepala)
korunní
lístky
(petala)
kukuřice
Graham (2003)
26
Přechod do generativní fáze
Transformace stonkového apikálního meristému v meristém květní
Rafflesia arnoldii
Získání kompetence ke kvetení
(multifaktoriální proces)
Působení vnějších i vnitřních faktorů
Fotoperiodismus (FLOWERING LOCUS T (FT) - florigen?)
F
Fytochromy
h
(5 genůů u Arabidopsis)
A bid i )
Gibereliny, cytokininy, sacharoza, polyaminy
Impatiens balsamina
Genetická kontrola
iniciace a dalšího vývoje květu
Postupná aktivita skupin regulačních genů
Úloha homeotických genů
K ět í reverze (zvegetativnění)
Květní
(
i ě )
huseníček
Vznik sekundárních vegetativních meristémů v květech
1 metr
11 kg
Genetická dispozice
Druhově specifická vývojová fáze, kdy ještě může k reverzi dojít
(extrém – ze základů vajíčka, Impatiens balsamina)
emf - přeměna
embryonálního
stonkového
apikálního
meristému
é
přímo
ří
ve florální
Intremediátní meristém – přechodné stádium
mezi vegetativní na generativní fází
Wolpert (1998)
Prvotní indukce genů orgánové identity
EMBRYONIC FLOWER (EMF),TERMINAL FLOWER (TFL), LEAFY (LFY), APETALA2 (AP2)
2) Katastrální geny
3) Geny identity květních orgánů
Prostorová organizace genů orgánové identity
SUPERMAN (SUP),
UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO),
FLOWER ORGAN NUMBER (FON)
Kontrola tvorby a funkce květních orgánů
APETALA1 (AP1), APETALA3 (AP3),
AGAMOUS (AG), PISTILLATA (PI)
EMF
TFL1
⊥
EMF – blok přechodu do
generativní fáze, konec
exprese se získáním
kompetence ke kvetení
1) Geny iniciace a identity květního meristému
EMBRYONIC FLOWER (EMF)
Stonkový apikální meristém je přeměněn v
intremediátní meristém (inflorescence
meristem), který vytvoří základ květenství
Intremediátní meristém dá vzniknout květním
meristémům (floral meristem)
⊥
emf
absence
vegetativní fáze
geny identity květního meristému
www.plantbio.berkeley.edu
27
TERMINAL FLOWER 1 (TFL1)
LEAFY (LFY)
Heterochromatinový protein
Indukce kvetení
Exprese pod apikální doménou primárního stonkového apikálního meristému
Dominantní regulátor/udržovatel
identity květního meristému
lfy - místo květů
listovité výhony
TFL1
⊥
EMF
⊥
35S::LFY – místo
sek. výhonů květy
geny identity květního meristému
LFY
tfl1
jen terminální květ, absence či redukce květenství
Ä
lfy
katastrální geny
stop iniciace květních meristémů
Aktivita genů květní indukce ve vrcholových
meristémech
wt
35S::LFY
Katastrální geny
vymezení hranic domén exprese
dalších regulačních genů
UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO)
Specifická exprese AP3 ve 3. kruhu (tvorba tyčinek)
Blok transkripce AP3 a označení příslušné bílkoviny k degradaci mimo vymezenou oblast
SUPERMAN (SUP)
Vymezení hranice mezi kruhy 3 a 4
Brání expresi genů třídy B (AP3 a PI) v kruhu 4
Wild type
superman –
tyčinky na místě
pestíku
FLOWER ORGAN
NUMBER (FON)
Počet orgánů
v jednotlivých kruzích
(zde tyčinky a plodolisty)
28
Květní diagram a čtyři kruhy
květních orgánů
Čtyři kruhy buněk
v květním meristému
… a zase v hlavní roli mutace
Čtyři kruhy
g
květních orgánů
Wolpert (1998) Principles of Development
Exprese homeotických genů ve
třech překrývajících se doménách
Ve správnou dobu na správném místě …
apetala2
apetala3/pistillata
agamous
AGAMOUS
Vivian Irish
APETALA3
29
Regulace vývoje květních orgánů
Nové, komplikovanější modely
Interakce MADS box proteinů a orgánová identita
Čtyřnásobný mutant
(ap1,ap2,ap3/pi,ag)
Johann Wolfgang Goethe (1749-1832):
Květní orgány představují vysoce modifikované listy
Regulace vývoje
květních orgánů
Arabidopsis thaliana
KVARTETOVÝ MODEL
Theissen (2001) Curr Opin Plant Biol
Petunia hybrida
Espinosa-Soto (2004)
Plant Cell
30
Vybrané
fáze
vývoje
vajíčka
huseníčku
1-II
2-II
2-III
3-IV
4-IV
Megasporogeneze a megagametogeneze
Megasporocyt
Zárodečný vak
Stádium čtyř
megaspor
Sieber (2004) Dev Biol
Správný průběh megagametogeneze
vyžaduje specifickou a precizně
regulovanou genovou expresi
Typy megasporogeneze a megagametogeneze
WUSCHEL (WUS)
PHABULOSA (PHB)
INNER NO OUTER (INO)
Sieber (2004) Dev Biol
31
M
I
K
R
O
S
P
O
R
O
G
E
N
E
Z
E
M
I
K
R
O
G
A
M
E
T
O
G
E
N
E
Z
E
Mikrosporogeneze
Mechanismy regulace počátků gametofytické vývojové cesty ?????????????
SPOROCYTELESS
TETRASPORE
Transkripční
faktory
32
Mikrosporogeneze
Meiosa
Oddělená karyokineze a cytokineze
Simultánní (tabák)
Vývoj samčího
gemetofytu tetrády
Následná (lilie)
Profáze
Dvojbuněčný/trojbuněčný pyl
Metafáze
PMII po vyklíčení
v rostoucí láčce
PMII
ve zrajícím pylu
Tabák
Řepka
II. pylová mitosa
Huseníček thalův
Anafáze
Telofáze
Anjusha Durbarry (2002)
33
Interakce gametofytu se sporofytem
Tapetum
Výživa mikrospor a mladého pylu
Podíl gametofytické i sporofytické regulace
Vrstva buněk obklopující prašné
pouzdro
Sporofyt (tapetum) – kontrola produkce metabolitů
a) syntéza a sekrece
b) degradace kalosy – produkce glukosy
Gametofyt – kontrola importu metabolitů
Dočasná přítomnost zejména
během vývoje mikrospor
Programovaná buněčná smrt
1) Osmoprotektanty – prolin, glycin betain - transport do pylu – silná exprese
prolinového přenašeče
Koordinovaná exprese genů v tapetu a v pylu
2) Monosacharidy (hexosy, pentosy) – produkty degradace kalosy – import do
mikrospor (monosacharidový přenašeč)
3) Sacharosa – úloha při dehydrataci – ochrana membrán – pozdní pylový
membránový H+-sacharosový přenašeč
Kalosa
Buněčná stěna pylového zrna
β-1,3-glukan
Zcela unikátní struktura a chemické složení
Syntéza: β-1,3-glukan synthasa (kalosa synthasa)
D
Degradace:
d
β 13 l k
β-1,3-glukanasa
(k l )
(kalasa)
Syntéza společným působením sporofytu a gametofytu
Proměnlivé složení v různých obdobích – fenomén kalosy
Výskyt:
1) Stěna oddělující mikrospory v tetrádě
Tectum
S i
Sexine
Baculum
Lumina
Exine
Nexine
Nexine I
Nexine II
Pektiny
S
Sporopolenin
l i
Pollenkitt /
pollen coat
Intine
2) Prvotní stěna oddělující vegetativní a generativní buňku po I. pylové mitose
3) Složka buněčné stěny pylové láčky
4) Zátky oddělující jednotlivé segmenty pylové láčky
34
Mutace ve
formování stěny
WIP316
WIP117
Huseníček thalův
kaktus
WT
WIP277
WIP278
Slunečnice
Mučenka
35
Přenos pylu na bliznu /
opylení
Progamická fáze
Hydratace
Samosprašnost / cizosprašnost
(Autogamie / alogamie)
Kleistogamie
Kl
Interakce pyl/blizna - kompatibilita
Papilární
buňky
Větrosprašnost
(anemofilie)
Hmyzosprašnost
(entomofilie)
zoofilie
hydrofilie
Klíčení na papilárních buňkách
Růst vodícím pletivem
Vodící
pletivo
Růst po povrchu septa
Snížení možnosti autogamie
Heterostylie
Dichogamie
Proterogynie x protandrie
Penetrace mikropyle
Vajíčko
Blizna
Fáze 1
Adheze
Hydratace
Aktivace
Progamická fáze
Papilární
p
buňkyy
Fáze 2
Klíčení
Růst pylové láčky
Fáze 3
Vd í
Vedení
Pylová láčka
Čnělka
Jürgen Berger / Heiko Schoof
Christos Michaelidis (2002)
Fáze 4
Vedení
Oplození
36
Vedení pylové láčky pestíkem (Guidance)
Gametofytická fáze
Komplexní proces
- kontrola směru růstu láčkyláčky zárodečný vak
- aktivace láčky (Ca++/Rop/aktin)
- odpuzení pomalejších láček
Sporofytická fáze
uvnitř vodících pletiv čnělky (ECM)
bez vlivu samičího gametofytu
Dvě složky
- Funikulární signál – delší dosah
- Mikropylární signál – kratší dosah
na povrchu
h pletiv
l ti placenty
l
t
pod vlivem samičího gametofytu
Signál ???
-Funikulární – přímý difundující z vaječníku ?X? nepřímý způsobující změny ECM
- odpuzuje přebytečné láčky
-Mikropylární
– nepochybně difundující signál; chemické složení ???
- mutace magatama (maa) – láčky nenajdou mikropyle
Kandasamy (1994)
Higashiyama (2003)
37
Dvojité oplození / vývoj semene
Od vajíčka k semeni
Vajíčko
Vaječná buňka
Centrální buňka
Nucellus
Vaječné obaly
Semeno
Ochrana a výživa embrya
Semeno
2n embryo
3n endosperm
2n perisperm
2n osemení (testa)
Semena dvouděložných a jednoděložných rostlin
Fazole
Pšenice
Dělohy
Zásobárna živin pro první fáze
růstu po vyklíčení
Epikotyl
Stonek nad dělohami
Hypokotyl
S
Stonek
k pod
d dělohami
děl h
Radikula
Báze hypokotylu, na špičce
kořenový apikální meristém
38
Semena dvouděložných a jednoděložných rostlin
Plody
Deriváty semeníků
Pl d dužnaté
Plody
d ž té a suché
hé
Lodoicea
maldivica
Vývoj plodů – oplodí (perikarp)
Stejně charakteristické pro
jednotlivé druhy jako květy
Dužnaté plody
Peckovice
Broskev, oliva,
kokosový ořech
Okurka
Okurka, dýně
Exokarp
Pokožka
Bobule
Rajče
Mesokarp
Dužnaté oplodí
Endokarp
Nejvnitřnější vrstva oplodí
Hesperidium
Pomeranč, grapefruit, citrón
39
Suché plody
Oříšek
Vlašský ořech,
lískový oříšek
NEPOHLAVNÍ
ROZMNOŽOVÁNÍ
Obilka
Pšenice, žito, ječmen
Míšek
Klejicha
hedvábná
Lusk
Hrách, fazole, sója, arašídy
Pohlavní a nepohlavní rozmnožování rostlin
Mnoho rostlin používá oba způsoby …
… to nejlepší z obou světů … (???)
Formy nepohlavního rozmnožování rostlin
Vegetativní rozmnožování
Vysoký podíl přeživšího potomstva
Minimální vliv na rozšiřování areálu
Wolpert (1998)
Agamospermie či partenogeneze
Většina rostlinných buněk není terminálně diferencovaných
Podíl přeživšího potomstva podobný jako při pohlavním rozmnožování
Totipotence rostlinných buněk
Přežívání nevhodných podmínek a potenciální vliv na rozšiřování areálu
Minoritní role maternálních determinant u rostlin
40
Vegetativní rozmnožování
Strategie odnožování
Hřížení
Větve, které zakořeňují,
když jsou v kontaktu se
zemí
Odnože
Prýty trav, které raší
z podzemních stonků a kořenů
Šlahouny
Nadzemní stonky,
které raší v nodech
Cibule, hlízy, hlízky
Podzemní zásobní
struktury, které mohou
dát vzniknout novým
prýtům
Guerilová strategie
Větší rozptyl propagulí v naději
na nalezení vzdálenějších
vhodných lokalit
Nepohlavní semena, cibulky,
šlahouny
Falangová
F l
á strategie
i
Malý rozptyl propagulí z
důvodu zabránění růstu jiných
jedinců z blízkého okolí
Oddenky (rhizomy)
Podzemní stonky, které rostou
horizontálně a produkují nové prýty
Agamospermie / apomixie
Produkce fertilních semen
bez oplození
Odnože, hlízy, kratší oddenky
Mechanismy agamospermie
Sporofytická apomixie
Vznik embryí z buněk sporofytu
Nejméně 400 apomiktických druhů
(Rosaceae, Asteraceae, Poaceae)
Pravděpodobně podhodnocený odhad
Gametofytická apomixie
Často jev asociovaný s polyploidií
Chybí meiosa – 2n zárodečný vak
Pseudogamie
Obtížná detekce, vznik endospermu může vyžadovat opylení či
dokonce splynutí alespoň jednoho spermatického jádra s vajíčkem
(pseudogamie)
Potřeba opylení či dokonce oplození endospermu, ale
embryo je produktem sporofytu mateřské rostliny
41
Senescence
Období stárnutí
SENESCENCE
Programové odbourávání buněčných
struktur na dále použitelné metabolity
Celá rostlina
nebo
její část
Jedna z forem
programované buněčné smrti
(PCD)
Přirozená senescence
Senescence
Monokarpické druhy
Přirozená senescence - často
forma adaptace na sezónní
změny klimatu
Kvetou a plodí
jen jednou a
pak odumírají
Senescence
indukovaná stresem
nedostatek
hořčíku
bambus
Agave
americana
42
Smrk
Polykarpické dřeviny
Polykarpické dřeviny
Kvetou a plodí
opakovaně
4 – 13
let
Jedle
Břečťan
3 – 14
let
6 let
28
měsíců
Lípa
srdčitá
1000 let
Eucalyptus
regnans
Sequoia
sempervirens
2–3
roky
2 000 - 4 000 let
Vavřín
„Stálezelené“
Borovice
Formy reakce na různé typy stresu
Nedostatek minerálních látek
Napadení patogeny
www.rothamsted.ac.uk
Cukrová řepa
Virus řepné mozaiky (BtMV)
Jetel luční
5 let
- Mn
- Fe
-N
Polykarpické byliny
Jetel plazivý
8 let
Štírovník
růžkatý
Více než 10
let
-B
- Mg
-P
Virus řepné chlorózy
(BChV)
43
Fyziologické a biochemické změny v průběhu
senescence
Stárnutí jako korelační jev
Precizně kontrolovaný proces
Genová exprese
p
Obecný pokles, ale …
… zejména v počátku specifická aktivace řady genů
Lusky nebyly
odstraňovány
Lusky byly
odstraňovány
Řízení průběhu senescence
Zabránění přesunu živin
do květů, semen či
plodů může oddálit
senescenci
Chlorofylasa
Mg-dechelatasa
Fosfolipasa D
β-galaktozidasa
Isocitrátlyasa
Malátsynthasa
PEP karboxykinasa
Aktivace katabolických procesů
Enzymy degradace
nukleových kyselin
Opad listů
Senescence listu
Odlučovací vrstva
Produkce ethylenu – ukládání suberinu
Narušení buněčné stěny celulázami a pektinázami
Snížení rychlosti fotosyntézy
a zvýšení respirace
Ztráta chlorofylu
žloutnutí listů
Chloroplast
Gerontoplast
Rozpad pigmentových komplexů
Odbourávání chlorofylu
Rozpad fotosystémů
Narušení membrán
Štěpení
p lipidů
p a pproteinů
Degradace nukleových kyselin
Zkrácení doby osvitu –
pokles produkce auxinu
Ztráta turgoru
Vznik odlučovací vrstvy
Pletiva
stonku
Odlučovací
vrstva
44
Opad květů a plodů
Geneticky regulovaný jev buněčné „sebevraždy
„sebevraždy“ jako odpovědi
na vývojové či environmentální signály
Poprvé se mohla vyvinout již u jednobuněčných organismů
jako forma obrany
U mnohobuněčných organismů důležitá pro zachování
homeostáze, při morfogenezi a obraně
u rostlin
u rostlin
Megasporogeneze
D
Degenerace
solných žláz
Puknutí zralého
prašníku
Senescence
listů
Degenerace tapeta
Degenerace článků
cév v xylému
PCD buněk kořenové čepičky
Degenerace papilárních buněk po opylení
PCD po napadení patogenem
– hypersenzitivní odpověď
Tvar
listů
Degenerace suspenzoru
Vývoj pylu
nahosemenných
rostlin
Degenerace základů květních orgánů
při zakládání jednopohlavných květů
45
kukuřice
kukuřice
Calderon-Urrea (1999) Development
FYZIOLOGIE
ROSTLIN
David Honys
46

fyziologie rostlin - Lab. biologie pylu

Transkript

Podobné dokumenty

Obrazový atlas alergizujících rostlin ČR

Manuál_Ve stínu pampelišky

Citrátový cyklus

NessieDVB - DVB network streaming server

Výroční zpráva o činnosti a hospodaření za rok 2007

Cytogenetika-06-Pohlavni bunky

pdf popis úloh

BIOTECHNOLOGICKÁ SPOLEČNOST 166 28 Praha 6, Technická 3

MBR - Index of

il costellos