Bookshelf

Embryogeneze

V rostlinách zahrnuje pojem embryogeneze vývoj od oplození až do doby dormance. Základní tělesný plán sporofytu je vytvořen během embryogeneze; tento plán se však po přerušení dormance opakuje a propracovává. Hlavní úkoly embryogeneze jsou

Založit základní tělesný plán. Radiální vzorování vytváří tři tkáňové systémy a axiální vzorování zakládá apikálně-bazální osu (výhon-kořen).

Vyčlenit meristematickou tkáň pro postembryonální vypracování struktury těla (listy, kořeny, květy atd.).

Vytvořit dostupnou zásobu potravy pro klíčící embryo, dokud se nestane autotrofním.

Embryogeneze je u všech nahosemenných rostlin podobná, pokud jde o vytvoření základního plánu těla (Steeves a Sussex 1989) (viz obrázek 20.15). Existují však rozdíly ve vypracování vzorce, včetně rozdílů v přesnosti vzorců buněčného dělení, rozsahu vývoje endospermu, vývoje kotyledonu a rozsahu vývoje meristému výhonku (Esau 1977; Johri et al. 1992).

Obrázek 20.15

Embryogeneze nahosemenných rostlin. Je zobrazen zástupce dvouděložných rostlin; u jednoděložných rostlin by se vyvinul pouze jeden listenec. I když existují základní vzorce embryogeneze u nahosemenných rostlin, mezi jednotlivými druhy existují obrovské morfologické rozdíly.

Polarita vzniká při prvním buněčném dělení po oplození. Vznik polarity byl zkoumán na hnědých řasách jako modelovém systému (Belanger a Quatrano 2000). Zygoty těchto rostlin jsou nezávislé na ostatních tkáních a dají se manipulovat. Výsledkem počátečního dělení je jedna menší buňka, která vytvoří rhizoid (homolog kořene) a zakotví zbytek rostliny, a jedna větší buňka, z níž vznikne thalus (hlavní tělo sporofytu). Místo vstupu spermie určuje polohu konce rhizoidu na apikálně-bazální ose. Tato osa je kolmá na rovinu prvního buněčného dělení. Na rhizoidálním pólu se hromadí F-aktin (Kropf et al. 1999). Světlo nebo gravitace však mohou tuto fixaci osy zrušit a stanovit novou polohu pro buněčné dělení (obr. 20.13; Alessa a Kropf 1999). Jakmile se apikálně-bazální osa ustálí, sekreční vezikuly se zaměří na rhizoidální pól zygoty (obrázek 20.14). Tyto vezikuly obsahují materiál pro rhizoidální výrůstky s buněčnou stěnou odlišného makromolekulárního složení. Cílená sekrece může také pomoci orientovat první rovinu buněčného dělení. Udržení osudu rhizoidu versus thallu na počátku vývoje závisí na informacích v buněčných stěnách (Brownlee a Berger 1995). Informace o buněčných stěnách se zdají být důležité také u nahosemenných rostlin (přehled v Scheres a Benfey 1999).

Obrázek 20.13

Tvorba os u hnědé řasy Pelvetia compressa. (A) V místě vstupu spermie se nejprve vytvoří F-aktinová skvrna (oranžová) (modrá skvrna označuje pronukleus spermie). (B) Později bylo světlo nasvíceno ve směru šipky. Osa vyvolaná spermií (více…)

Obrázek 20.14

Asymetrické dělení buněk u hnědých řas. Časový průběh od 8 do 25 hodin po oplození, znázorňující buňky řas obarvené barvivem vitální membrány pro zviditelnění sekrečních vezikul, které se objevují jako první, a buněčné desky, která se začíná objevovat přibližně (více…)

Základní tělní plán obrněnek položený během embryogeneze také začíná asymetrickým* buněčným dělením, při kterém vzniká terminální buňka a bazální buňka (obrázek 20.15). Z terminální buňky vzniká vlastní embryo. Bazální buňka se vytváří nejblíže mikropyle a dává vzniknout suspenzoru. Hypofýza se nachází na rozhraní mezi suspenzorem a vlastním embryem. U mnoha druhů dává vzniknout některým kořenovým buňkám. (Buňky suspenzoru se dělí a vytvářejí vláknitý nebo kulovitý orgán, který později v embryogenezi degeneruje). Jak u gymnospermů, tak u angiospermů orientuje suspensor absorpční povrch embrya směrem ke zdroji potravy; u angiospermů zřejmě slouží také jako kanál pro živiny pro vyvíjející se embryo. Kultivace izolovaných embryí brukvovitých fazolí se suspenzorem a bez něj prokázala u dvouděložných rostlin potřebu suspenzoru až do stadia srdce (obrázek 20.16; Yeung a Sussex 1979). Embrya kultivovaná se suspenzorem mají v tomto stadiu dvakrát větší pravděpodobnost přežití než embrya kultivovaná bez připojeného suspenzoru. Suspenzor může být zdrojem hormonů. U fazolu brukvovitého mohou mladší embrya bez suspenzoru přežít v kultuře, pokud jsou doplněna růstovým hormonem kyselinou giberelovou (Cionini et al. 1976).

Obrázek 20.16

Úloha suspenzoru v embryogenezi dvouděložných rostlin. Kultivace embryí fazolu brukvovitého se suspenzorem a bez něj ukázala, že suspenzor je nezbytný ve stadiu srdcovky, ale ne později. (Podle Yeung a Sussex 1979.)

Jelikož vytvoření apikálně-bazální polarity je jedním z klíčových úspěchů embryogeneze, je užitečné zvážit, proč se u suspenzoru a vlastního embrya vyvíjí jedinečná morfologie. Zde bylo zvláště užitečné studium embryonálních mutantů kukuřice a Arabidopsis. Výzkumy mutantů suspenzoru (sus1,sus2 a raspberry1) Arabidopsis poskytly genetický důkaz, že suspenzor má schopnost vyvíjet struktury podobné embryu (obr. 20.17; Schwartz et al. 1994; Yadegari et al. 1994). U těchto mutantů se abnormality vlastního embrya objevují dříve než abnormality suspenzorů.† Dřívější pokusy, při nichž bylo vlastní embryo odstraněno, rovněž prokázaly, že suspenzory se mohou vyvíjet jako embrya (Haccius 1963). Signál z vlastního embrya do suspenzoru může být důležitý pro zachování identity suspenzoru a blokování vývoje suspenzoru jako embrya. Molekulární analýzy těchto a dalších genů umožňují nahlédnout do mechanismů komunikace mezi suspenzorem a vlastním embryem.

Obrázek 20.17

Gen SUS potlačuje embryonální vývoj v suspenzoru. (A) Embryo a suspensor divokého typu. (B) Sus mutant se suspenzorem vyvíjejícím se jako embryo (šipka). (C) Model ukazující, jak vlastní embryo potlačuje embryonální vývoj v suspenzoru (více…)

Geny s mateřským efektem hrají klíčovou roli při vytváření embryonálního vzoru u zvířat (viz kapitola 9). Úloha extrazygotických genů v embryogenezi rostlin je méně jasná a tuto otázku komplikují nejméně tři potenciální zdroje vlivu: sporofytická tkáň, gametofytická tkáň a polyploidní endosperm. Všechny tyto tkáně jsou v úzkém spojení s vajíčkem/zygotou (Ray 1998). Vývoj endospermu by mohl být ovlivněn také mateřskými geny. U Arabidopsis byly identifikovány sporofytické a gametofytické geny mateřského efektu a je pravděpodobné, že genom endospermu ovlivňuje i zygotu. První identifikovaný gen pro mateřský efekt, SHORT INTEGUMENTS 1 (SIN1), musí být pro normální vývoj embrya exprimován ve sporofytu (Ray et al. 1996). Dva transkripční faktory (FBP7 a FBP11) jsou ve sporofytu petúnie potřebné pro normální vývoj endospermu (Columbo et al. 1997). Samičí gametofytní gen pro mateřský efekt, MEDEA (podle Euripidovy Médeie, která zabila své vlastní děti), má proteinové domény podobné doménám genu pro mateřský efekt u drozofily (Grossniklaus et al. 1998). Zajímavé je, že MEDEA patří do skupiny genů Polycomb (viz kapitola 9), jejichž produkty přímo či nepřímo mění chromatin a ovlivňují transkripci. MEDEA ovlivňuje imprintovaný gen (viz kapitola 5), který je exprimován samičím gametofytem a mateřsky děděnými alelami v zygotě, ale ne paternálně děděnými alelami (Vielle-Calzada et al. 1999). Jak významné jsou geny mateřského efektu při vytváření tělního plánu sporofytu, je stále nezodpovězenou otázkou.

Radiální a axiální vzory se vyvíjejí s pokračujícím buněčným dělením a diferenciací (obrázek 20.18; viz také Bowman 1994 pro podrobné světelné mikrofotografie embryogeneze Arabidopsis). Buňky vlastního embrya se dělí v příčné a podélné rovině a vytvářejí kulovité stadium embrya s několika vrstvami buněk. Povrchově se toto stadium do jisté míry podobá štěpení u živočichů, ale poměr jader a cytoplazmy se nutně nezvyšuje. Vznikající tvar embrya závisí na regulaci rovin buněčného dělení a expanze, protože buňky nejsou schopny se pohybovat a měnit tvar embrya. Roviny buněčného dělení ve vnější vrstvě buněk se omezují a tato vrstva, nazývaná protoderm, se stává zřetelnou. Radiální vzorování se objevuje v kulovitém stadiu, kdy jsou iniciovány tři tkáňové systémy (kožní, půdní a cévní) rostliny. Kožní tkáň (epidermis) se vytvoří z protodermu a přispěje k vnějším ochranným vrstvám rostliny. Přízemní tkáň (kůra a dřeň) se tvoří z přízemního meristému, který leží pod protodermem. Z prokambia, které se vytvoří v jádru zárodku, vznikne cévní tkáň (xylém a floém), která bude plnit podpůrnou a transportní funkci. Diferenciace jednotlivých tkáňových systémů probíhá alespoň částečně nezávisle. Například u keule mutanta Arabidopsis je dermální systém defektní, zatímco vnitřní tkáňové systémy se vyvíjejí normálně (Mayer et al. 1991).

Obrázek 20.18

Radiální a axiální vzorování. (A) Radiální vzorování u nahosemenných rostlin začíná v kulovitém stadiu a vede k vytvoření tří tkáňových systémů. (B) Axiální vzor (osa výhonek-kořen) se ustavuje ve stadiu srdcovky.

Kulovitý tvar embrya se ztrácí, když se začnou tvořit listeny („první listy“). Dvouděložné rostliny mají dva listeny, které dávají embryu při jeho formování srdčitý vzhled. V této srdeční fázi vývoje je patrný osový půdorys těla. Hormony (konkrétně auxiny) mohou zprostředkovávat přechod od radiální k bilaterální symetrii (Liu et al. 1993). U jednoděložných rostlin, jako je kukuřice, se objevuje pouze jeden listenec.

U mnoha rostlin pomáhají listeny vyživovat rostlinu tím, že se po vyklíčení stávají fotosyntetickými (ačkoli u některých druhů se nikdy nevynoří ze země). V některých případech – například u hrachu – je zásoba potravy v endospermu vyčerpána ještě před vyklíčením a listeny slouží jako zdroj živin pro klíčící semenáček.‡ I v případě, že endosperm přetrvává (jako u kukuřice), jsou v listenech uloženy zásoby potravy, jako je škrob, lipidy a bílkoviny. U mnoha jednoděložných rostlin se listeny rozrůstají ve velké orgány přitisknuté k endospermu a napomáhají přenosu živin do semeníku. Vzpřímené listeny mohou dát embryu tvar torpéda. U některých rostlin jsou listeny natolik dlouhé, že se musí ohýbat, aby se vešly do těsného obalu semene. Embryo pak vypadá jako hůl. V tomto okamžiku již suspenzor degeneruje.

Výhonkový apikální meristém a kořenový apikální meristém jsou shluky kmenových buněk, které v postembryonální rostlině přetrvají a dají vzniknout většině těla sporofytu. Kořenový meristém je u některých druhů částečně odvozen od hypofýzy. Všechny ostatní části těla sporofytu jsou odvozeny z vlastního embrya. Genetické důkazy naznačují, že tvorba výhonkového a kořenového meristému je regulována nezávisle. Tuto nezávislost dokládá mutant dek23 kukuřice a mutant bez výhonkového meristému (STM) Arabidopsis, u nichž se tvoří kořenový meristém, ale nedochází k iniciaci výhonkového meristému (Clark a Sheridan 1986; Barton a Poethig 1993). Gen STM, který byl klonován, se exprimuje v pozdní globulární fázi, před vytvořením listenu. Byly také identifikovány geny, které specificky ovlivňují vývoj kořenové osy během embryogeneze. Mutace genu HOBBIT u Arabidopsis (Willemsen et al. 1998) například ovlivňují deriváty hypofýzy a vylučují funkci kořenového meristému.

Výhonkový apikální meristém po vyklíčení iniciuje listy a nakonec přechod k reprodukčnímu vývoji. U Arabidopsis vznikají listeny z obecného embryonálního pletiva, nikoli z meristému výhonu (Barton a Poethig 1993). U mnoha nahosemenných rostlin je během embryogeneze iniciováno několik listů. V případě Arabidopsis ukazuje klonální analýza na přítomnost listů ve zralém embryu, i když nejsou morfologicky dobře vyvinuty (Irish a Sussex 1992). Klonální analýza prokázala, že listeny a první dva pravé listy bavlníku jsou odvozeny spíše z embryonální tkáně než z organizovaného meristému (Christianson 1986).

Pokusy s klonální analýzou poskytují informace o osudech buněk, ale nemusí nutně ukazovat, zda jsou buňky určeny pro určitý osud. Ukazuje se, že buňky, tkáně a orgány jsou determinovány, pokud mají stejný osud in situ, izolovaně a na nové pozici v organismu (více informací o vývojových stavech u rostlin viz McDaniel et al. 1992). Klonální analýza prokázala, že buňky, které se dělí v nesprávné rovině a „přesunou“ se do jiné vrstvy tkáně, se často diferencují podle své nové polohy. Poloha, spíše než klonální původ, se zdá být rozhodujícím faktorem při tvorbě vzoru embrya, což naznačuje určitý typ komunikace mezi buňkami (Laux a Jurgens 1994). Mikrochirurgické pokusy na somatických embryích mrkve ukazují, že izolované části embrya mohou často nahradit chybějící doplněk částí (Schiavone a Racusen 1990; Scheres a Heidstra 1999). Nahrazen bude například kotyledon vyjmutý z vrcholu výhonu. Izolované embryonální výhonky mohou regenerovat nový kořen; izolované kořenové pletivo regeneruje listeny, ale je méně pravděpodobné, že regeneruje osu výhonu. Ačkoli většina embryonálních buněk je pluripotentní a může vytvářet orgány, jako jsou listeny a listy, v postembryonálním rostlinném těle si tuto schopnost zachovávají pouze meristémy

.