Bookshelf

Embryogenese

I planter dækker begrebet embryogenese over udviklingen fra befrugtningen, indtil der indtræder hviletid. Den grundlæggende kropsplan for sporofytten etableres under embryogenesen; denne plan gentages og udbygges imidlertid, efter at dvaleperioden er brudt. De vigtigste udfordringer ved embryogenese er

At etablere den grundlæggende kropsplan. Radial mønsterdannelse producerer tre vævssystemer, og aksial mønsterdannelse etablerer den apikale-basale (skud-rød) akse.

At afsætte meristematisk væv til postembryonal udarbejdelse af kropsstrukturen (blade, rødder, blomster osv.).

At etablere en tilgængelig fødevarereserve for det spirende embryo, indtil det bliver autotrofisk.

Embryogenese er ens i alle angiospermer med hensyn til etableringen af den grundlæggende kropsplan (Steeves og Sussex 1989) (se figur 20.15). Der er dog forskelle i mønsterudarbejdelsen, herunder forskelle i præcisionen af celledelingsmønstre, omfanget af endospermudvikling, kimbladsudvikling og omfanget af skudmeristemudvikling (Esau 1977; Johri et al. 1992).

Figur 20.15

Angiosperm-embryogenese. En repræsentativ dicot er vist; en monokot ville kun udvikle et enkelt cotyledon. Selv om der er grundlæggende mønstre for embryogenese hos angiospermer, er der en enorm morfologisk variation mellem arterne.

Polariteten etableres i den første celledeling efter befrugtningen. Etableringen af polaritet er blevet undersøgt ved hjælp af brunalger som et modelsystem (Belanger og Quatrano 2000). Zygotterne af disse planter er uafhængige af andre væv og kan manipuleres. Den indledende celledeling resulterer i en mindre celle, som vil danne rhizoidet (rod homolog) og forankre resten af planten, og en større celle, som giver anledning til thallus (sporofyttens hovedlegeme). Det sted, hvor sædcellerne kommer ind, fastlægger placeringen af den rhizoide ende af den apikale-basale akse. Denne akse er vinkelret på det plan, hvor den første celledeling finder sted. F-actin ophobes ved den rhizoide pol (Kropf et al. 1999). Lys eller tyngdekraft kan imidlertid tilsidesætte denne fastlåsning af aksen og etablere en ny position for celledelingen (Figur 20.13; Alessa og Kropf 1999). Når den apikale-basale akse er etableret, er sekretoriske vesikler målrettet mod zygotens rhizoide pol (Figur 20.14). Disse vesikler indeholder materiale til rhizoidudvækst, med en cellevæg med en tydelig makromolekylær sammensætning. Målrettet sekretion kan også være med til at orientere det første plan for celledeling. Opretholdelse af rhizoid versus thallus skæbne tidligt i udviklingen afhænger af information i cellevæggene (Brownlee og Berger 1995). Cellevægsinformation synes også at være vigtig i angiospermer (gennemgået i Scheres og Benfey 1999).

Figur 20.13

Aksedannelse i brunalgen Pelvetia compressa. (A) Der dannes først en F-aktinplet (orange) ved det sted, hvor sædcellerne kommer ind (den blå plet markerer sædpronukleus). (B) Senere blev der kastet lys i pilens retning. Den af sædcellerne fremkaldte akse (mere…)

Figur 20.14

Asymmetrisk celledeling i brunalger. Tidsforløb fra 8 til 25 timer efter befrugtning, der viser algeceller farvet med et vitalt membranfarvestof for at visualisere sekretoriske vesikler, der fremkommer først, og cellepladen, der begynder at fremkomme omkring (mere…)

Angiospermernes grundlæggende kropsplan, der er fastlagt under embryogenesen, begynder også med en asymmetrisk* celledeling, der giver anledning til en terminalcelle og en basalcelle (Figur 20.15). Den terminale celle giver anledning til det egentlige embryo. Basalcellen dannes tættest på mikropylet og giver anledning til suspensionscellen. Hypofysen findes i grænsefladen mellem suspensoren og det egentlige embryo. Hos mange arter danner den nogle af rodcellerne. (Suspensorcellerne deler sig og danner et trådformet eller kugleformet organ, som degenererer senere i embryogenesen). Hos både gymnospermer og angiospermer orienterer suspensionen embryonets absorberende overflade mod dets fødekilde; hos angiospermer synes den også at tjene som en næringsvej for det udviklende embryon. Ved at dyrke isolerede embryoner af skarntydebønner med og uden suspensionsor har man påvist, at der er behov for en suspensionsor gennem hjertestadiet hos dicoteter (Figur 20.16; Yeung og Sussex 1979). Embryoner, der er dyrket med en ophæng, har dobbelt så stor sandsynlighed for at overleve som embryoner, der er dyrket uden en fastgjort ophæng i dette stadium. Suspensoren kan være en kilde til hormoner. I skarntydebønner kan yngre embryoner uden ophæng overleve i kultur, hvis de får tilskud af væksthormonet gibberellinsyre (Cionini et al. 1976).

Figur 20.16

Suspensorens rolle i dicotembryogenese. Ved dyrkning af skarnbøtteembryoner med og uden deres suspensor er det blevet påvist, at suspensoren er essentiel i det hjerteformede stadium, men ikke senere. (Efter Yeung og Sussex 1979.)

Da etableringen af apikal-basal polaritet er et af de vigtigste resultater af embryogenesen, er det nyttigt at overveje, hvorfor suspensoren og det egentlige embryo udvikler unikke morfologier. Her har undersøgelsen af embryomutanter i majs og Arabidopsis været særlig nyttig. Undersøgelser af suspensormutanter (sus1,sus2 og raspberry1) i Arabidopsis har givet genetisk bevis for, at suspensoren har kapacitet til at udvikle embryolignende strukturer (Figur 20.17; Schwartz et al. 1994; Yadegari et al. 1994). I disse mutanter optræder abnormiteter i det egentlige embryo før abnormiteter i suspensoren.† Tidligere eksperimenter, hvor det egentlige embryo blev fjernet, viste også, at suspensorer kunne udvikle sig som embryoner (Haccius 1963). Et signal fra det egentlige embryo til suspensoren kan være vigtigt for at opretholde suspensorens identitet og blokere udviklingen af suspensoren som et embryo. Molekylære analyser af disse og andre gener giver indsigt i mekanismerne for kommunikationen mellem suspensoren og det egentlige embryo.

Figur 20.17

SUS-genet undertrykker den embryonale udvikling i suspensoren. (A) Wild-type embryo og suspensor. (B) SUS-mutant med suspensor, der udvikler sig som et embryo (pil). (C) Model, der viser, hvordan det egentlige embryo undertrykker den embryonale udvikling i suspensoren (mere…)

Maternale effektgener spiller en central rolle i etableringen af det embryonale mønster hos dyr (se kapitel 9). De ekstrazygotiske geners rolle i planteembryogenese er mindre klar, og spørgsmålet kompliceres af mindst tre potentielle kilder til påvirkning: sporofytisk væv, gametofytisk væv og den polyploide endosperm. Alle disse væv er i tæt forbindelse med ægget/zygoten (Ray 1998). Endospermudviklingen kunne også påvirkes af moderlige gener. Sporofytiske og gametofytiske maternelle effektgener er blevet identificeret i Arabidopsis, og det er sandsynligt, at endospermgenomet også påvirker zygoten. Det første identificerede gen med maternel effekt, SHORT INTEGUMENTS 1 (SIN1), skal udtrykkes i sporofyten for at sikre normal embryonal udvikling (Ray et al. 1996). To transkriptionsfaktorer (FBP7 og FBP11) er nødvendige i petunia-sporofyten for normal udvikling af endospermen (Columbo et al. 1997). Et hunligt gametofytisk modereffektgen, MEDEA (efter Euripides’ Medea, der dræbte sine egne børn), har proteindomæner, der ligner dem, der findes i et Drosophila-modereffektgen (Grossniklaus et al. 1998). Mærkeligt nok hører MEDEA til Polycomb-gengruppen (se kapitel 9), hvis produkter ændrer kromatin direkte eller indirekte og påvirker transkriptionen. MEDEA påvirker et præget gen (se kapitel 5), som udtrykkes af den kvindelige gametofyt og af moderligt nedarvede alleler i zygoten, men ikke af faderligt nedarvede alleler (Vielle-Calzada et al. 1999). Hvor betydningsfulde moderlige effektgener er i etableringen af sporofyttens kropsplan er stadig et ubesvaret spørgsmål.

Radiale og aksiale mønstre udvikles, efterhånden som celledeling og differentiering fortsætter (Figur 20.18; se også Bowman 1994 for detaljerede lysmikrografer af Arabidopsis-embryogenese). Cellerne i det egentlige embryo deler sig i tværgående og langsgående planer for at danne et kugleformet stadiumembryo med flere lag af celler. Overfladisk set har dette stadium en vis lighed med spaltning hos dyr, men kerne/cytoplasma-forholdet øges ikke nødvendigvis. Embryoets nye form afhænger af reguleringen af celledelings- og ekspansionsplanerne, da cellerne ikke er i stand til at bevæge sig og omforme embryoet. Celledelingsplanerne i det yderste cellelag bliver begrænset, og dette lag, kaldet protodermen, bliver tydeligt. Radial mønsterdannelse opstår på kuglestadiet, når plantens tre vævssystemer (dermal, jord og karvæv) indledes. Det dermale væv (epidermis) dannes ud fra protodermen og bidrager til plantens ydre beskyttende lag. Jordvævet (cortex og marv) dannes fra jordmeristemet, som ligger under protodermen. Prokambium, som dannes i embryonets kerne, vil give anledning til karvæv (xylem og phloem), som vil fungere som støtte og transportvæv. Differentieringen af hvert vævssystem er i det mindste delvist uafhængig. For eksempel er dermal-systemet defekt i keule-mutanten af Arabidopsis, mens de indre vævssystemer udvikler sig normalt (Mayer et al. 1991).

Figur 20.18

Radial og aksial mønsterdannelse. (A) Radial mønsterdannelse hos angiospermer begynder i kuglestadiet og resulterer i etableringen af tre vævssystemer. (B) Det aksiale mønster (skyde-rod-akse) etableres ved hjertestadiet.

Den kugleformede form af embryoet forsvinder, når cotyledoner (“første blade”) begynder at blive dannet. Dicots har to cotyledoner, som giver embryoet et hjerteformet udseende, når de dannes. Den aksiale kropsplan er tydelig ved dette hjertestadium af udviklingen. Hormoner (specifikt auxiner) kan formidle overgangen fra radial til bilateral symmetri (Liu et al. 1993). Hos monokotyper, såsom majs, opstår der kun et enkelt kimblad.

I mange planter hjælper kimbladene med at nære planten ved at blive fotosyntetiske efter spiring (selv om de hos nogle arter aldrig kommer op af jorden). I nogle tilfælde – f.eks. ærter – er fødevarereserven i endospermen opbrugt før spiring, og kimbladene tjener som næringskilde for den spirende kimplante.‡ Selv ved tilstedeværelse af en vedvarende endosperm (som i majs) lagrer kimbladene fødevarereserver som stivelse, lipider og proteiner. Hos mange monokotyper vokser kimbladet til et stort organ, der presses mod endospermen og hjælper med at overføre næringsstoffer til kimplanten. Oprejste kimblade kan give embryoet en torpedoform. Hos nogle planter bliver kimbladene så lange, at de må bøje sig for at passe ind i frøskjoldets begrænsning. Embryoet ligner så en spadserestok. På dette tidspunkt er ophængskæden ved at degenerere.

Det skudapikale meristem og det rodapikale meristem er klynger af stamceller, der vil bestå i den postembryonale plante og give anledning til det meste af sporofytlegemet. Rodmeristemet er delvis afledt af hypofysen hos nogle arter. Alle andre dele af sporofytlegemet stammer fra det egentlige embryo. Genetiske beviser tyder på, at dannelsen af skud- og rodmeristemer reguleres uafhængigt af hinanden. Denne uafhængighed er påvist af dek23-majs mutanten og shootmeristemless (STM) mutanten af Arabidopsis, som begge danner et rodmeristem, men som ikke formår at initiere et skudmeristem (Clark og Sheridan 1986; Barton og Poethig 1993). STM-genet, som er blevet klonet, udtrykkes i det sene kugleformede stadium, før kimbladene dannes. Der er også blevet identificeret gener, som specifikt påvirker udviklingen af rodaksen under embryogenesen. Mutationer af HOBBIT-genet i Arabidopsis (Willemsen et al. 1998) påvirker f.eks. hypofyseafledningerne og eliminerer rodmeristemfunktionen.

Det skydeapikale meristem vil initiere blade efter spiring og i sidste ende overgangen til reproduktiv udvikling. I Arabidopsis produceres kimbladene fra generelt embryonalt væv og ikke fra skudmeristemet (Barton og Poethig 1993). I mange angiospermer initieres nogle få blade under embryogenesen. I Arabidopsis’ tilfælde peger klonanalyser på tilstedeværelsen af blade i det modne embryo, selv om de ikke er morfologisk veludviklede (Irish og Sussex 1992). Klonalanalyse har vist, at kimbladene og de to første ægte blade hos bomuld stammer fra embryonalt væv snarere end fra et organiseret meristem (Christianson 1986).

Klonale analyseeksperimenter giver oplysninger om celleskæbner, men viser ikke nødvendigvis, om cellerne er bestemt til en bestemt skæbne eller ej. Celler, væv og organer viser sig at være determinerede, når de har den samme skæbne in situ, i isolation og på en ny position i organismen (se McDaniel et al. 1992 for flere oplysninger om udviklingstilstande i planter). Klonanalyser har vist, at celler, der deler sig i det forkerte plan og “flytter” til et andet vævslag, ofte differentierer sig i overensstemmelse med deres nye position. Position, snarere end klonal oprindelse, synes at være den kritiske faktor i embryomønsterdannelsen, hvilket tyder på en form for celle-cellekommunikation (Laux og Jurgens 1994). Mikrokirurgiske eksperimenter på somatiske gulerodsembryoner viser, at isolerede stykker af embryonet ofte kan erstatte det manglende komplement af dele (Schiavone og Racusen 1990; Scheres og Heidstra 1999). Et cotyledon, der er fjernet fra skudspidsen, vil blive erstattet. Isolerede embryonale skud kan regenerere en ny rod; isoleret rodvæv regenererer cotyledoner, men er mindre tilbøjelige til at regenerere skudaksen. Selv om de fleste embryonale celler er pluripotente og kan generere organer som kimblade og blade, er det kun meristemer, der bevarer denne evne i det postembryonale plantelegeme.