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Embryogenese

In Pflanzen umfasst der Begriff Embryogenese die Entwicklung vom Zeitpunkt der Befruchtung bis zum Eintritt der Keimruhe. Der grundlegende Körperplan des Sporophyten wird während der Embryogenese festgelegt; dieser Plan wird jedoch nach dem Bruch der Keimruhe wiederholt und weiterentwickelt. Die wichtigsten Aufgaben der Embryogenese sind

Die Etablierung des grundlegenden Körperplans. Durch die radiale Musterung entstehen drei Gewebesysteme, und durch die axiale Musterung wird die apikal-basale Achse (Spross-Wurzel-Achse) gebildet.

Meristematisches Gewebe für die postembryonale Ausarbeitung der Körperstruktur (Blätter, Wurzeln, Blüten usw.) beiseite zu legen.

Eine zugängliche Nahrungsreserve für den keimenden Embryo zu schaffen, bis er autotroph wird.

Die Embryogenese ist bei allen Angiospermen in Bezug auf die Schaffung des grundlegenden Körperplans ähnlich (Steeves und Sussex 1989) (siehe Abbildung 20.15). Es gibt jedoch Unterschiede in der Ausarbeitung der Muster, einschließlich Unterschiede in der Präzision der Zellteilungsmuster, dem Ausmaß der Endospermentwicklung, der Keimblattentwicklung und dem Ausmaß der Sprossmeristementwicklung (Esau 1977; Johri et al. 1992).

Abbildung 20.15

Angiospermen-Embryogenese. Dargestellt ist eine repräsentative Dikotyledone; eine Monokotyledone würde nur ein einziges Keimblatt entwickeln. Es gibt zwar grundlegende Muster der Embryogenese bei den Bedecktsamern, aber die morphologischen Unterschiede zwischen den Arten sind enorm.

Die Polarität wird bei der ersten Zellteilung nach der Befruchtung hergestellt. Die Etablierung der Polarität wurde anhand von Braunalgen als Modellsystem untersucht (Belanger und Quatrano 2000). Die Zygoten dieser Pflanzen sind unabhängig von anderen Geweben und lassen sich leicht manipulieren. Die erste Zellteilung führt zu einer kleineren Zelle, die das Rhizoid (Wurzelhomolog) bildet und den Rest der Pflanze verankert, und zu einer größeren Zelle, aus der der Thallus (Hauptkörper des Sporophyten) entsteht. Der Eintrittspunkt der Spermien legt die Position des rhizoiden Endes der apikal-basalen Achse fest. Diese Achse steht senkrecht zur Ebene der ersten Zellteilung. Am rhizoiden Pol sammelt sich F-Aktin an (Kropf et al. 1999). Licht oder Schwerkraft können jedoch diese Fixierung der Achse aufheben und eine neue Position für die Zellteilung festlegen (Abbildung 20.13; Alessa und Kropf 1999). Sobald die apikal-basale Achse festgelegt ist, werden sekretorische Vesikel zum rhizoiden Pol der Zygote gerichtet (Abbildung 20.14). Diese Vesikel enthalten das Material für das Rhizoidwachstum und haben eine Zellwand mit einer bestimmten makromolekularen Zusammensetzung. Eine gezielte Sekretion kann auch dazu beitragen, die erste Ebene der Zellteilung zu orientieren. Die Unterscheidung zwischen Rhizoid und Thallus in der frühen Entwicklungsphase hängt von Informationen in den Zellwänden ab (Brownlee und Berger 1995). Zellwandinformationen scheinen auch bei Angiospermen wichtig zu sein (siehe Scheres und Benfey 1999).

Abbildung 20.13

Achsenbildung in der Braunalge Pelvetia compressa. (A) An der Eintrittsstelle der Spermien (der blaue Fleck markiert den Pronukleus der Spermien) bildet sich zunächst ein F-Actin-Patch (orange). (B) Später wurde Licht in Richtung des Pfeils eingestrahlt. Die durch das Sperma induzierte Achse (mehr…)

Abbildung 20.14

Asymmetrische Zellteilung in Braunalgen. Zeitverlauf von 8 bis 25 Stunden nach der Befruchtung, der Algenzellen zeigt, die mit einem vitalen Membranfarbstoff gefärbt wurden, um die zuerst erscheinenden sekretorischen Vesikel und die Zellplatte sichtbar zu machen, die etwa (mehr…)

Der grundlegende Körperplan der Angiospermen, der während der Embryogenese festgelegt wird, beginnt ebenfalls mit einer asymmetrischen* Zellteilung, aus der eine Terminalzelle und eine Basalzelle hervorgehen (Abbildung 20.15). Aus der terminalen Zelle entsteht der eigentliche Embryo. Die Basalzelle bildet sich in der Nähe der Mikropyle und bildet den Suspensor. Die Hypophyse befindet sich an der Schnittstelle zwischen dem Suspensor und dem eigentlichen Embryo. Bei vielen Arten entsteht aus ihr ein Teil der Wurzelzellen. (Die Suspensorzellen teilen sich, um ein fadenförmiges oder kugelförmiges Organ zu bilden, das später in der Embryogenese degeneriert). Sowohl bei den Gymnospermen als auch bei den Angiospermen richtet der Suspensor die absorbierende Oberfläche des Embryos auf seine Nahrungsquelle aus; bei den Angiospermen scheint er auch als Nährstoffleitung für den sich entwickelnden Embryo zu dienen. Die Kultivierung isolierter Embryonen von Scharlachbohnen mit und ohne Suspensor hat gezeigt, dass ein Suspensor bei Dikotyledonen bis zum Herzstadium erforderlich ist (Abbildung 20.16; Yeung und Sussex 1979). Bei Embryonen, die mit einem Suspensor gezüchtet werden, ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie in diesem Stadium überleben, doppelt so hoch wie bei Embryonen, die ohne Suspensor gezüchtet werden. Der Suspensor kann eine Quelle für Hormone sein. Bei Scharlachbohnen können jüngere Embryonen ohne Suspensor in der Kultur überleben, wenn sie mit dem Wachstumshormon Gibberellinsäure ergänzt werden (Cionini et al. 1976).

Abbildung 20.16

Rolle des Suspensoriums bei der Embryogenese von Dikotylen. Die Kultivierung von Embryonen der Scharlachbohne mit und ohne ihre Suspensorien hat gezeigt, dass der Suspensor im herzförmigen Stadium wesentlich ist, aber nicht später. (Nach Yeung und Sussex 1979.)

Da die Etablierung der apikal-basalen Polarität eine der wichtigsten Errungenschaften der Embryogenese ist, ist es sinnvoll zu untersuchen, warum der Suspensor und der eigentliche Embryo eine einzigartige Morphologie entwickeln. Hier ist die Untersuchung von Embryo-Mutanten in Mais und Arabidopsis besonders hilfreich. Untersuchungen von Suspensor-Mutanten (sus1, sus2 und raspberry1) von Arabidopsis haben den genetischen Beweis erbracht, dass der Suspensor die Fähigkeit hat, embryoähnliche Strukturen zu entwickeln (Abbildung 20.17; Schwartz et al. 1994; Yadegari et al. 1994). Bei diesen Mutanten treten Anomalien im eigentlichen Embryo vor den Anomalien des Suspensors auf.† Frühere Experimente, bei denen der eigentliche Embryo entfernt wurde, zeigten auch, dass sich Suspensoren wie Embryonen entwickeln können (Haccius 1963). Ein Signal vom eigentlichen Embryo zum Suspensor könnte wichtig sein, um die Identität des Suspensors zu erhalten und die Entwicklung des Suspensors als Embryo zu verhindern. Molekulare Analysen dieser und anderer Gene geben Aufschluss über die Mechanismen der Kommunikation zwischen dem Suspensor und dem eigentlichen Embryo.

Abbildung 20.17

Das SUS-Gen unterdrückt die embryonale Entwicklung im Suspensor. (A) Wildtyp-Embryo und Suspensor. (B) Sus-Mutante mit Suspensor, der sich wie ein Embryo entwickelt (Pfeil). (C) Modell, das zeigt, wie der eigentliche Embryo die embryonale Entwicklung im Suspensor unterdrückt (mehr…)

Maternale Effektgene spielen eine Schlüsselrolle bei der Festlegung des embryonalen Musters bei Tieren (siehe Kapitel 9). Die Rolle der extrazygotischen Gene bei der Embryogenese von Pflanzen ist weniger klar, und die Frage wird durch mindestens drei potenzielle Einflussquellen kompliziert: sporophytisches Gewebe, gametophytisches Gewebe und das polyploide Endosperm. Alle diese Gewebe stehen in enger Verbindung mit der Eizelle/Zygote (Ray 1998). Die Entwicklung des Endosperms könnte auch von mütterlichen Genen beeinflusst werden. Sporophytische und gametophytische Gene mit mütterlicher Wirkung wurden bei Arabidopsis identifiziert, und es ist wahrscheinlich, dass das Endosperm-Genom auch die Zygote beeinflusst. Das erste identifizierte Gen mit maternalem Effekt, SHORT INTEGUMENTS 1 (SIN1), muss im Sporophyt für eine normale Embryonalentwicklung exprimiert werden (Ray et al. 1996). Zwei Transkriptionsfaktoren (FBP7 und FBP11) werden im Petunien-Sporophyt für eine normale Endospermentwicklung benötigt (Columbo et al. 1997). Ein weibliches gametophytisches Gen mit mütterlichem Effekt, MEDEA (nach Euripides‘ Medea, die ihre eigenen Kinder tötete), hat Proteindomänen, die denen eines Drosophila-Gens mit mütterlichem Effekt ähneln (Grossniklaus et al. 1998). Interessanterweise gehört MEDEA zur Gruppe der Polycomb-Gene (siehe Kapitel 9), deren Produkte direkt oder indirekt das Chromatin verändern und die Transkription beeinflussen. MEDEA beeinflusst ein Imprinting-Gen (siehe Kapitel 5), das vom weiblichen Gametophyten und von mütterlich vererbten Allelen in der Zygote exprimiert wird, nicht aber von väterlich vererbten Allelen (Vielle-Calzada et al. 1999). Inwieweit Gene mit maternalem Effekt bei der Bildung des Körperbaus des Sporophyten eine Rolle spielen, ist noch nicht geklärt.

Radiale und axiale Muster entwickeln sich mit fortschreitender Zellteilung und Differenzierung (Abbildung 20.18; siehe auch Bowman 1994 für detaillierte lichtmikroskopische Aufnahmen der Embryogenese von Arabidopsis). Die Zellen des eigentlichen Embryos teilen sich in Quer- und Längsebenen und bilden ein kugelförmiges Embryostadium mit mehreren Zellschichten. Oberflächlich betrachtet hat dieses Stadium eine gewisse Ähnlichkeit mit der Spaltung bei Tieren, aber das Verhältnis zwischen Kern und Zytoplasma nimmt nicht unbedingt zu. Die entstehende Form des Embryos hängt von der Regulierung der Ebenen der Zellteilung und -ausdehnung ab, da die Zellen nicht in der Lage sind, sich zu bewegen und den Embryo neu zu formen. Die Zellteilungsebenen in der äußeren Zellschicht werden eingeschränkt, und diese Schicht, das sogenannte Protoderm, wird ausgeprägt. Die radiale Musterung entsteht im Kugelstadium, wenn die drei Gewebesysteme (Haut, Boden und Gefäße) der Pflanze entstehen. Das dermale Gewebe (Epidermis) bildet sich aus dem Protoderm und trägt zu den äußeren Schutzschichten der Pflanze bei. Das Grundgewebe (Kortex und Mark) bildet sich aus dem Grundmeristem, das unter dem Protoderm liegt. Aus dem Procambium, das sich im Kern des Embryos bildet, entsteht das Gefäßgewebe (Xylem und Phloem), das die Stütz- und Transportfunktion übernimmt. Die Differenzierung der einzelnen Gewebesysteme erfolgt zumindest teilweise unabhängig voneinander. Zum Beispiel ist bei der Keule-Mutante von Arabidopsis das dermale System defekt, während sich die inneren Gewebesysteme normal entwickeln (Mayer et al. 1991).

Abbildung 20.18

Radiale und axiale Musterung. (A) Die radiale Musterung bei Angiospermen beginnt im Kugelstadium und führt zur Ausbildung von drei Gewebesystemen. (B) Das axiale Muster (Spross-Wurzel-Achse) wird im Herzstadium gebildet.

Die kugelförmige Form des Embryos geht mit der Bildung der Keimblätter („erste Blätter“) verloren. Zweikeimblättrige Pflanzen haben zwei Keimblätter, die dem Embryo ein herzförmiges Aussehen verleihen, wenn sie sich bilden. In diesem Herzstadium der Entwicklung ist der axiale Körperbau erkennbar. Hormone (insbesondere Auxine) können den Übergang von radialer zu bilateraler Symmetrie vermitteln (Liu et al. 1993). Bei einkeimblättrigen Pflanzen wie Mais bildet sich nur ein einziges Keimblatt aus.

Bei vielen Pflanzen tragen die Keimblätter zur Ernährung der Pflanze bei, indem sie nach der Keimung photosynthetisch werden (obwohl sie bei einigen Arten nie aus dem Boden kommen). In einigen Fällen – zum Beispiel bei Erbsen – sind die Nahrungsreserven im Endosperm vor der Keimung aufgebraucht, und die Keimblätter dienen als Nährstoffquelle für den keimenden Keimling.‡ Selbst bei Vorhandensein eines beständigen Endosperms (wie bei Mais) speichern die Keimblätter Nahrungsreserven wie Stärke, Lipide und Proteine. Bei vielen einkeimblättrigen Pflanzen wächst das Keimblatt zu einem großen Organ heran, das gegen das Endosperm gedrückt wird und den Nährstofftransport zum Keimling unterstützt. Aufrechte Keimblätter können dem Embryo eine torpedoförmige Gestalt verleihen. Bei einigen Pflanzen werden die Keimblätter so lang, dass sie sich krümmen müssen, um in die Grenzen der Samenschale zu passen. Der Embryo sieht dann aus wie ein Spazierstock. Zu diesem Zeitpunkt degeneriert der Suspensor.

Das Sprossmeristem und das Wurzelmeristem sind Gruppen von Stammzellen, die in der postembryonalen Pflanze fortbestehen und den größten Teil des Sporophytenkörpers hervorbringen werden. Das Wurzelmeristem ist bei einigen Arten teilweise von der Hypophyse abgeleitet. Alle anderen Teile des Sporophytenkörpers stammen vom eigentlichen Embryo ab. Genetische Hinweise deuten darauf hin, dass die Bildung von Spross- und Wurzelmeristemen unabhängig voneinander reguliert wird. Diese Unabhängigkeit wird durch die dek23-Mais-Mutante und die sprossmeristemlose (STM) Mutante von Arabidopsis demonstriert, die beide ein Wurzelmeristem bilden, aber kein Sprossmeristem ausbilden (Clark und Sheridan 1986; Barton und Poethig 1993). Das STM-Gen, das kloniert wurde, wird im späten Globularstadium exprimiert, bevor sich Keimblätter bilden. Es wurden auch Gene identifiziert, die speziell die Entwicklung der Wurzelachse während der Embryogenese beeinflussen. Mutationen des HOBBIT-Gens in Arabidopsis (Willemsen et al. 1998) beispielsweise beeinträchtigen die Hypophysen-Derivate und schalten die Funktion des Wurzelmeristems aus.

Das Sprossapikalmeristem leitet nach der Keimung die Blätter und schließlich den Übergang zur reproduktiven Entwicklung ein. Bei Arabidopsis werden die Keimblätter aus allgemeinem Embryonengewebe und nicht aus dem Sprossmeristem gebildet (Barton und Poethig 1993). Bei vielen Angiospermen werden während der Embryogenese einige Blätter gebildet. Bei Arabidopsis weist die Klonalanalyse auf das Vorhandensein von Blättern im reifen Embryo hin, auch wenn sie morphologisch nicht gut entwickelt sind (Irish und Sussex 1992). Die Klonalanalyse hat gezeigt, dass die Keimblätter und die ersten beiden echten Blätter der Baumwolle eher von embryonalem Gewebe als von einem organisierten Meristem abstammen (Christianson 1986).

Klonalanalyse-Experimente liefern Informationen über Zellschicksale, zeigen aber nicht unbedingt an, ob Zellen für ein bestimmtes Schicksal bestimmt sind oder nicht. Zellen, Gewebe und Organe sind nachweislich determiniert, wenn sie in situ, in Isolation und an einer neuen Position im Organismus das gleiche Schicksal haben (siehe McDaniel et al. 1992 für weitere Informationen über Entwicklungszustände bei Pflanzen). Die klonale Analyse hat gezeigt, dass Zellen, die sich in der falschen Ebene teilen und in eine andere Gewebeschicht „umziehen“, sich oft entsprechend ihrer neuen Position differenzieren. Die Position und nicht die klonale Herkunft scheint der entscheidende Faktor bei der Bildung des Embryomusters zu sein, was auf eine Art von Zell-Zell-Kommunikation schließen lässt (Laux und Jurgens 1994). Mikrochirurgische Experimente an somatischen Karottenembryonen zeigen, dass isolierte Teile des Embryos oft die fehlenden Teile ersetzen können (Schiavone und Racusen 1990; Scheres und Heidstra 1999). Ein von der Sprossspitze entferntes Keimblatt wird ersetzt. Isolierte embryonale Sprosse können eine neue Wurzel regenerieren; isoliertes Wurzelgewebe regeneriert Keimblätter, aber es ist weniger wahrscheinlich, dass sich die Sprossachse regeneriert. Obwohl die meisten embryonalen Zellen pluripotent sind und Organe wie Keimblätter und Blätter bilden können, behalten nur die Meristeme diese Fähigkeit im postembryonalen Pflanzenkörper.