Kirjahylly

Embryogeneesi

Kasveissa termi alkionkehitys kattaa kehityksen hedelmöitymisestä siihen asti, kunnes lepotila syntyy. Sporofyytin perusrunkosuunnitelma muodostuu alkionmuodostuksen aikana; tämä suunnitelma kuitenkin toistuu ja tarkentuu lepotilan päätyttyä. Alkionmuodostuksen suurimmat haasteet ovat

perusrungon suunnitelman luominen. Radiaalinen kuviointi tuottaa kolme kudosjärjestelmää, ja aksiaalinen kuviointi luo apikaali-basaalisen (verso-juuri) akselin.

Varata meristemaattista kudosta alkion jälkeistä ruumiinrakenteen (lehdet, juuret, kukat jne.) kehittämistä varten.

Varmistaa itävälle alkiolle saatavilla oleva ravintoreservi, kunnes siitä tulee autotrofinen.

Embryogeneesi on samanlainen kaikissa angiospermaattisissa kasveissa perusrunkorakenteen muodostumisen suhteen (Steeves ja Sussex 1989) (ks. kuva 20.15). Kuvion kehittymisessä on kuitenkin eroja, kuten eroja solunjakautumismallien tarkkuudessa, endospermin kehittymisen laajuudessa, sikiön kehittymisessä ja versomersistemin kehittymisen laajuudessa (Esau 1977; Johri ym. 1992).

Kuva 20.15

Angiospermien alkionmuodostus. Kuvassa on edustava dikotyyppi; monikotyyppi kehittäisi vain yhden sikiön. Vaikka angiospermenien alkionmuodostukselle on olemassa perusmallit, lajien välillä on valtavaa morfologista vaihtelua.

Puolisuus syntyy ensimmäisessä hedelmöittymistä seuraavassa solunjakautumisessa. Polariteetin vakiintumista on tutkittu käyttämällä ruskealevää mallijärjestelmänä (Belanger ja Quatrano 2000). Näiden kasvien zygootit ovat riippumattomia muista kudoksista ja niitä voidaan manipuloida. Alkuperäisen solunjakautumisen tuloksena syntyy yksi pienempi solu, joka muodostaa juurisolukon (juuren homologin) ja ankkuroi muun kasvin, ja yksi suurempi solu, josta syntyy talus (sporofyytin päärunko). Siittiöiden sisääntulokohta määrittää apikaalis-basaalisen akselin rhizoidipään sijainnin. Tämä akseli on kohtisuorassa ensimmäisen solunjakautumisen tasoon nähden. F-aktiini kerääntyy ritsoidin napaan (Kropf ym. 1999). Valo tai painovoima voi kuitenkin kumota tämän akselin kiinnittymisen ja asettaa solunjakautumisen uuteen asentoon (kuva 20.13; Alessa ja Kropf 1999). Kun apikaalis-basaalinen akseli on vakiintunut, erittävät vesikkelit kohdistuvat zygootin rhizoidiseen napaan (kuva 20.14). Nämä vesikkelit sisältävät materiaalia ritsoidin uloskasvua varten, ja niiden soluseinän makromolekyylikoostumus on erilainen. Kohdistettu eritys voi myös auttaa suuntaamaan solunjakautumisen ensimmäistä tasoa. Rhizoidin ja taluksen kohtalon säilyttäminen varhaisessa kehitysvaiheessa riippuu soluseinissä olevasta informaatiosta (Brownlee ja Berger 1995). Soluseinämän informaatio näyttää olevan tärkeää myös angiospermeissä (katsaus Scheres ja Benfey 1999).

Kuva 20.13

Akselinmuodostus ruskealevässä Pelvetia compressa. (A) F-aktiinilaikku (oranssi) muodostuu ensin siittiöiden sisäänmenokohtaan (sininen piste merkitsee siittiöiden pronukleusta). (B) Myöhemmin valoa osoitettiin nuolen suuntaan. Sperman aiheuttama akseli (lisää…)

Kuva 20.14

Asymmetrinen solunjakautuminen ruskealevissä. Ajan kulku 8-25 tuntia hedelmöittymisen jälkeen, jossa näkyy leväsoluja, jotka on värjätty elintärkeällä kalvoväriaineella, jotta voidaan havainnollistaa ensin ilmaantuvat eritysvesikkelit ja solulevy, joka alkaa ilmaantua noin (lisää…)

Ainakin angiospermaisten alkionmuodostuksen aikana luodun rungon perusrakenteen rakenne alkaa epäsymmetrisellä* solunjakaumalla, jonka tuloksena syntyy terminaalinen solu (terminaalinen solu)* ja basaalinen solu (kuva 20.15). Päätesolusta syntyy varsinainen alkio. Tyvisolu muodostuu lähimpänä mikropylvästä ja synnyttää suspensorin. Hypofyysi sijaitsee suspensorin ja varsinaisen alkion rajapinnassa. Monissa lajeissa siitä syntyy osa juurisoluista. (Suspensorin solut jakautuvat muodostaen säikeisen tai pallomaisen elimen, joka degeneroituu myöhemmin alkionkehityksessä). Sekä voimakaskasvuisilla että angiospermaisilla suspensori suuntaa alkion imukykyisen pinnan kohti ravintolähdettä; angiospermaisilla se näyttää myös toimivan ravintoaineiden kanavana kehittyvälle alkiolle. Suspensorin kanssa ja ilman suspensoria viljeltyjen erillisten juolavapapujen alkioiden viljeleminen on osoittanut suspensorin tarpeen sydänvaiheeseen asti kaksisirkkaisilla kasveilla (kuva 20.16; Yeung ja Sussex 1979). Suspensorin kanssa viljellyt alkiot selviytyvät kaksi kertaa todennäköisemmin kuin alkiot, jotka on viljelty ilman kiinnitettyä suspensoria tässä vaiheessa. Suspensori voi olla hormonien lähde. Tulipunaisella juolavalla nuoremmat alkiot, joilla ei ole suspensoria, voivat selviytyä viljelyssä, jos niihin lisätään kasvuhormoni gibberelliinihappoa (Cionini ym. 1976).

Kuva 20.16

Suspensorin rooli kaksisirkkaisten alkionmuodostuksessa. Viljelemällä skarppipavun alkioita suspensorin kanssa ja ilman sitä on osoitettu, että suspensori on välttämätön sydämenmuotoisessa vaiheessa, mutta ei myöhemmin. (Yeungin ja Sussexin 1979 mukaan.)

Koska apikaali-basaalipolariteetin vakiintuminen on yksi alkionmuodostuksen tärkeimmistä saavutuksista, on hyödyllistä pohtia, miksi suspensori ja varsinainen alkio kehittävät ainutlaatuisen morfologian. Tässä yhteydessä on ollut erityisen hyödyllistä tutkia maissin ja Arabidopsiksen alkiomutaatioita. Arabidopsiksen suspensorimutanttien (sus1, sus2 ja raspberry1) tutkimukset ovat antaneet geneettistä näyttöä siitä, että suspensorilla on kyky kehittää alkion kaltaisia rakenteita (kuva 20.17; Schwartz ym. 1994; Yadegari ym. 1994). Näissä mutanteissa varsinaisen alkion poikkeavuudet ilmenevät ennen suspensorin poikkeavuuksia.† Aikaisemmat kokeet, joissa varsinainen alkio poistettiin, osoittivat myös, että suspensorit voivat kehittyä alkioiden tavoin (Haccius 1963). Varsinaisen alkion ja suspensorin välinen signaali voi olla tärkeä suspensorin identiteetin ylläpitämisessä ja suspensorin kehittymisen estämisessä alkioksi. Näiden ja muiden geenien molekyylianalyysit antavat tietoa suspensorin ja varsinaisen alkion välisen viestinnän mekanismeista.

Kuva 20.17

SUS-geeni tukahduttaa alkion kehitystä suspensorissa. (A) Villityypin alkio ja suspensori. (B) Sus-mutantti, jossa suspensor kehittyy alkion tavoin (nuoli). (C) Malli, joka osoittaa, miten varsinainen alkio tukahduttaa alkionkehityksen suspensorissa (lisää…)

Äidinvaikutusgeeneillä on keskeinen rooli eläinten alkionkehityksen mallin muodostumisessa (ks. luku 9). Ekstrasygoottisten geenien rooli kasvien embryogeneesissä ei ole yhtä selvä, ja kysymystä mutkistaa ainakin kolme potentiaalista vaikutuslähdettä: sporofyyttinen kudos, gametofyyttinen kudos ja polyploidinen endospermi. Kaikki nämä kudokset ovat läheisessä yhteydessä munasolun/zygootin kanssa (Ray 1998). Endospermin kehitykseen voivat vaikuttaa myös äidin geenit. Arabidopsiksessa on tunnistettu sporofyyttisiä ja gametofyyttisiä äidinvaikutusgeenejä, ja on todennäköistä, että endospermin genomi vaikuttaa myös zygoottiin. Ensimmäisen tunnistetun äidinvaikutusgeenin, SHORT INTEGUMENTS 1 (SIN1), on ilmentydyttävä sporofyytissä, jotta alkion kehitys olisi normaalia (Ray ym. 1996). Kaksi transkriptiotekijää (FBP7 ja FBP11) tarvitaan petunian sporofyytissä endospermin normaaliin kehitykseen (Columbo ym. 1997). Naaraspuolisen gametofyytin äidinvaikutusgeenillä, MEDEA:lla (Euripideen Medeian mukaan, joka tappoi omat lapsensa), on samankaltaisia proteiinidomeeneja kuin Drosophilan äidinvaikutusgeenillä (Grossniklaus ym. 1998). Kummallista kyllä, MEDEA kuuluu Polycomb-geeniryhmään (ks. luku 9), jonka tuotteet muuttavat suoraan tai epäsuorasti kromatiinia ja vaikuttavat transkriptioon. MEDEA vaikuttaa imprintoituneeseen geeniin (ks. luku 5), jota ilmentävät naaraspuolinen gametofyytti ja maternaalisesti periytyvät alleelit zygootissa, mutta eivät paternaalisesti periytyvät alleelit (Vielle-Calzada ym. 1999). Se, kuinka merkittävässä asemassa maternaalivaikutusgeenit ovat sporofyytin ruumiinrakenteen muodostumisessa, on vielä avoin kysymys.

Radiaaliset ja aksiaaliset kuviot kehittyvät solujen jakautumisen ja erilaistumisen jatkuessa (kuva 20.18; ks. myös Bowman 1994, jossa on yksityiskohtaisia valomikroskooppikuvia Arabidopsiksen alkionkehityksestä). Varsinaisen alkion solut jakautuvat poikittais- ja pitkittäistasoissa muodostaen pallomaisen alkion, jossa on useita solukerroksia. Pinnallisesti tämä vaihe muistuttaa jonkin verran eläimissä esiintyvää pilkkoutumista, mutta ydinsolujen ja sytoplasman suhde ei välttämättä kasva. Alkion kehittyvä muoto riippuu solujen jakautumis- ja laajentumistasojen säätelystä, sillä solut eivät pysty liikkumaan ja muokkaamaan alkiota. Solujen uloimman solukerroksen solunjakautumistasot rajoittuvat, ja tämä kerros, jota kutsutaan protodermiksi, erottuu. Säteittäinen kuviointi syntyy pallovaiheessa, kun kasvin kolme kudosjärjestelmää (iho-, pohja- ja verisuonijärjestelmä) käynnistyvät. Ihokudos (epidermis) muodostuu protodermistä ja osallistuu kasvin uloimpien suojakerrosten muodostamiseen. Pohjakudos (aivokuori ja ydin) muodostuu protodermin alapuolella olevasta pohjakudosmeristemistä. Alkion ytimeen muodostuvasta prokambiumista syntyy verisuonikudos (ksyleemi ja floemi), joka toimii tuki- ja kuljetustehtävissä. Kunkin kudosjärjestelmän erilaistuminen on ainakin osittain riippumatonta. Esimerkiksi Arabidopsiksen keule-mutaatiossa dermaalijärjestelmä on viallinen, kun taas sisäiset kudosjärjestelmät kehittyvät normaalisti (Mayer ym. 1991).

Kuva 20.18

Radiaalinen ja aksiaalinen kuviointi. (A) Radiaalinen kuviointi angiospermeissä alkaa pallovaiheessa ja johtaa kolmen kudosjärjestelmän muodostumiseen. (B) Aksiaalinen kuviointi (verso-juuriakseli) vakiintuu sydänvaiheessa.

Alkion pallomainen muoto häviää, kun sikiöt (”ensimmäiset lehdet”) alkavat muodostua. Kaksisirkkaisilla on kaksi sytyliedonia, jotka antavat alkiolle sydämenmuotoisen ulkonäön niiden muodostuessa. Aksiaalinen ruumiinrakenne on ilmeinen tässä sydämen kehitysvaiheessa. Hormonit (erityisesti auxiinit) saattavat välittää siirtymistä säteittäisestä symmetriasta kahdenväliseen symmetriaan (Liu ym. 1993). Yksisirkkaisilla kasveilla, kuten maissilla, syntyy vain yksi sikiölehti.

Monissa kasveissa sikiölehti auttaa kasvin ravinnossa muuttumalla fotosynteettiseksi itämisen jälkeen (vaikka joidenkin lajien sikiölehti ei koskaan nouse maasta). Joissakin tapauksissa – esimerkiksi herneessä – endospermin ravintovarastot käytetään loppuun ennen itämistä, ja sikiöt toimivat itävän taimen ravinnelähteenä.‡ Jopa silloin, kun endospermi on pysyvä (kuten maissilla), sikiöt varastoivat ravintovarastoja, kuten tärkkelystä, lipidejä ja proteiineja. Monissa yksisirkkaisissa kasvaimet kasvavat suureksi elimeksi, joka painautuu endospermiä vasten ja auttaa ravinteiden siirtämisessä taimeen. Pystysuorat sikiöt voivat antaa alkiolle torpedon muodon. Joissakin kasveissa sikiöt kasvavat niin pitkiksi, että niiden on taivuttava mahtuakseen siemenkuoren sisään. Alkio näyttää tällöin kävelykepiltä. Tässä vaiheessa suspensio on degeneroitumassa.

Verson apikaalinen meristemi ja juuren apikaalinen meristemi ovat kantasoluryhmiä, jotka säilyvät alkion jälkeisessä kasvissa ja joista syntyy suurin osa sporofyytin rungosta. Juuren meristemi on joillakin lajeilla osittain peräisin hypofyysistä. Kaikki muut sporofyytin rungon osat ovat peräisin varsinaisesta alkiosta. Geneettiset todisteet viittaavat siihen, että verso- ja juurimersistemien muodostumista säädellään itsenäisesti. Tämän riippumattomuuden osoittavat maissin dek23-mutantti ja Arabidopsiksen STM-mutantti (shootmeristemless), jotka molemmat muodostavat juurimersistemiä mutta eivät saa aikaan versomersistemiä (Clark ja Sheridan 1986; Barton ja Poethig 1993). Kloonattu STM-geeni ilmentyy myöhäisessä pallovaiheessa, ennen kuin sytyliedot muodostuvat. On myös tunnistettu geenejä, jotka vaikuttavat erityisesti juuren akselin kehitykseen embryogeneesin aikana. Esimerkiksi Arabidopsiksen HOBBIT-geenin mutaatiot (Willemsen ym. 1998) vaikuttavat hypofyysijohdoksiin ja eliminoivat juuren meristemin toiminnan.

Verson apikaalinen meristemi käynnistää lehdet itämisen jälkeen ja lopulta siirtymisen lisääntymiskehitykseen. Arabidopsiksessa sytyliedot syntyvät yleisestä alkion kudoksesta, ei versomeristemistä (Barton ja Poethig 1993). Monissa angiospermaattisissa kasveissa alkionmuodostuksen aikana käynnistyy muutamia lehtiä. Arabidopsiksen tapauksessa kloonianalyysit viittaavat siihen, että kypsässä alkiossa on lehtiä, vaikka ne eivät olekaan morfologisesti hyvin kehittyneitä (Irish ja Sussex 1992). Klonaalinen analyysi on osoittanut, että puuvillan sikiölehdet ja kaksi ensimmäistä todellista lehteä ovat peräisin alkiokudoksesta eivätkä järjestäytyneestä meristemistä (Christianson 1986).

Klonaalisen analyysin kokeet antavat tietoa solujen kohtaloista, mutta ne eivät välttämättä osoita, ovatko solut määräytyneet tiettyyn kohtaloon vai eivät. Solujen, kudosten ja elinten osoitetaan olevan määräytyneitä, kun niillä on sama kohtalo in situ, eristyksissä ja uudessa paikassa organismissa (ks. McDaniel ym. 1992 lisätietoa kasvien kehitystiloista). Klonaalinen analyysi on osoittanut, että solut, jotka jakautuvat väärässä tasossa ja ”siirtyvät” eri kudoskerrokseen, erilaistuvat usein uuden sijaintinsa mukaisesti. Sijainti, ei niinkään klooninen alkuperä, näyttää olevan kriittinen tekijä alkion kuvionmuodostuksessa, mikä viittaa jonkinlaiseen solu-solu-viestintään (Laux ja Jurgens 1994). Porkkanan somaattisilla alkioilla tehdyt mikrokirurgiset kokeet osoittavat, että eristetyt alkion osat voivat usein korvata puuttuvat osat (Schiavone ja Racusen 1990; Scheres ja Heidstra 1999). Verson kärjestä poistettu sikiö korvataan. Erilliset alkion versot voivat uudistaa uuden juuren; eristetty juurikudos uudistaa sikiölehtiä, mutta harvemmin verson akselia. Vaikka useimmat alkion solut ovat pluripotentteja ja voivat synnyttää sikiölehtien ja lehtien kaltaisia elimiä, vain meristemit säilyttävät tämän kyvyn alkion jälkeisessä kasvirungossa.