Könyvespolc

Embriogenezis

A növényekben az embriogenezis kifejezés a megtermékenyítéstől a nyugalmi állapot bekövetkezéséig tartó fejlődést takarja. A sporofita alapvető testterve az embriogenezis során jön létre; ez a terv azonban a nyugalmi állapot megszakadása után ismétlődik és kidolgozódik. Az embriogenezis fő feladatai a következők

Az alapvető testterv kialakítása. A radiális mintázás három szövetrendszert hoz létre, az axiális mintázás pedig az apikális-bazális (hajtás-gyökér) tengelyt hozza létre.

A merisztematikus szövetek elkülönítése a testszerkezet (levelek, gyökerek, virágok stb.) posztembrionális kidolgozásához.

A csírázó embrió számára hozzáférhető tápláléktartalék létrehozása, amíg az autotróf lesz.

Az embriogenezis az összes angiospermában hasonló az alapvető testfelépítés kialakítását illetően (Steeves és Sussex 1989) (lásd a 20.15. ábrát). A mintázat kidolgozottságában azonban vannak különbségek, beleértve a sejtosztódási mintázat pontosságában, az endospermium fejlődésének mértékében, a sziklevelek fejlődésében és a hajtásmerisztémák fejlődésének mértékében mutatkozó különbségeket (Esau 1977; Johri et al. 1992).

20.15. ábra

Angiosperm embriogenezis. Egy reprezentatív dikotikus növényt ábrázolunk; az egyszikűeknél csak egyetlen sziklevél fejlődik. Bár az angiospermiumok embriogenezisének vannak alapvető mintázatai, a fajok között óriási morfológiai eltérések vannak.

A polaritás a megtermékenyítést követő első sejtosztódásban jön létre. A polaritás kialakulását barna algák mint modellrendszer segítségével vizsgálták (Belanger és Quatrano 2000). E növények zigótái függetlenek más szövetektől és manipulálhatók. A kezdeti sejtosztódás eredményeként egy kisebb sejt keletkezik, amely a rizoidot (a gyökér homológját) alkotja és a növény többi részét rögzíti, valamint egy nagyobb sejt, amelyből a thallus (a sporofita fő teste) keletkezik. A spermiumok belépési pontja rögzíti az apikális-bazális tengely rizoid végének helyzetét. Ez a tengely merőleges az első sejtosztódás síkjára. Az F-aktin a rizoid póluson halmozódik fel (Kropf et al. 1999). A fény vagy a gravitáció azonban felülírhatja a tengelynek ezt a rögzítését, és új pozíciót hozhat létre a sejtosztódás számára (20.13. ábra; Alessa és Kropf 1999). Miután az apikális-bazális tengely kialakult, a szekréciós vezikulák a zigóta rizoid pólusát célozzák meg (20.14. ábra). Ezek a vezikulák a rizoid kinövéshez szükséges anyagot tartalmazzák, különálló makromolekuláris összetételű sejtfallal. A célzott szekréció segíthet a sejtosztódás első síkjának orientálásában is. A rhizoid versus thallus sorsának fenntartása a fejlődés korai szakaszában a sejtfalakban lévő információktól függ (Brownlee és Berger 1995). A sejtfal-információ az angiospermáknál is fontosnak tűnik (áttekintve Scheres és Benfey 1999-ben).

20.13. ábra

Tengelyképződés a Pelvetia compressa nevű barna algában. (A) Egy F-aktin folt (narancssárga) először a spermiumok belépési pontjánál alakul ki (a kék folt a spermium pronukleuszt jelöli). (B) Később a nyíl irányába világítottak. A spermiumok által indukált tengely (tovább…)

20.14. ábra

Aszimmetrikus sejtosztódás barna algákban. Időrend a megtermékenyítést követő 8 és 25 óra között, az algasejtek életfontosságú membránfestékkel festve, hogy láthatóvá váljanak a szekréciós vezikulák, amelyek először jelennek meg, és a sejtlemez, amely körülbelül (tovább…)

Az embriogenezis során lefektetett angiospermák alapvető testterve szintén aszimmetrikus* sejtosztódással kezdődik, amelyből egy terminális sejt és egy bazális sejt keletkezik (20.15. ábra). A terminális sejtből keletkezik a tulajdonképpeni embrió. A bazális sejt a mikropílushoz legközelebb képződik, és ebből keletkezik a szuszpenzor. A hipofízis a szuszpenzor és a tulajdonképpeni embrió közötti határfelületen található. Sok fajban a gyökérsejtek egy részét ez hozza létre. (A szuszpenzorsejtek osztódnak, és egy fonalas vagy gömb alakú szervet alkotnak, amely az embriogenezis későbbi szakaszában degenerálódik.) Mind a gymnospermáknál, mind az angiospermáknál a suspensor az embrió felszívó felületét a táplálékforrás felé irányítja; az angiospermáknál úgy tűnik, hogy a fejlődő embrió számára tápanyagvezetőként is szolgál. A skarlátbab izolált embrióinak szuszpenzorral és anélkül történő tenyésztése kimutatta a szuszpenzor szükségességét a szívstádiumon keresztül a kétszikűeknél (20.16. ábra; Yeung és Sussex 1979). A szuszpenzorral tenyésztett embriók kétszer nagyobb valószínűséggel maradnak életben, mint azok az embriók, amelyeket ebben a stádiumban rögzített szuszpenzor nélkül tenyésztettek. A szuszpenzor hormonforrás lehet. A skarlátbabban a szuszpenzor nélküli fiatalabb embriók túlélhetik a tenyésztést, ha a növekedési hormon gibberellinsavval kiegészítik őket (Cionini és mtsai. 1976).

20.16. ábra

A szuszpenzor szerepe a kétszikűek embriogenezisében. A skarlátbab embrióinak szuszpenzorral és anélkül történő tenyésztése kimutatta, hogy a szuszpenzor a szív alakú stádiumban nélkülözhetetlen, de később nem. (Yeung és Sussex 1979 után.)

Mivel az apikális-bazális polaritás kialakítása az embriogenezis egyik legfontosabb vívmánya, hasznos megvizsgálni, hogy miért alakul ki a suspensor és a tulajdonképpeni embrió egyedi morfológiája. Ebben különösen hasznosnak bizonyult a kukorica és az Arabidopsis embriómutánsok vizsgálata. Az Arabidopsis szuszpenzor mutánsain (sus1, sus2 és raspberry1) végzett vizsgálatok genetikai bizonyítékot szolgáltattak arra, hogy a szuszpenzor képes embriószerű struktúrák kialakítására (20.17. ábra; Schwartz et al. 1994; Yadegari et al. 1994). Ezekben a mutánsokban a tulajdonképpeni embrió rendellenességei előbb jelentkeznek, mint a szuszpenzor rendellenességei.† Korábbi kísérletek, amelyekben a tulajdonképpeni embriót eltávolították, szintén kimutatták, hogy a szuszpenzorok képesek embrióként fejlődni (Haccius 1963). A szuszpenzor identitásának fenntartásában és a szuszpenzor embrióként való fejlődésének megakadályozásában fontos lehet a tulajdonképpeni embrióból a szuszpenzor felé irányuló jel. Ezen és más gének molekuláris elemzései betekintést nyújtanak a suspensor és a tulajdonképpeni embrió közötti kommunikáció mechanizmusaiba.

20.17. ábra

A SUS gén elnyomja az embrionális fejlődést a suspensorban. (A) Vad típusú embrió és suspensor. (B) Sus mutáns az embrióhoz hasonlóan fejlődő suspensorral (nyíl). (C) Modell, amely azt mutatja, hogy a saját embrió hogyan nyomja el az embriófejlődést a suspensorban (tovább…)

Az anyai hatású gének kulcsszerepet játszanak az állatokban az embrionális mintázat kialakításában (lásd a 9. fejezetet). Az extrazygotikus gének szerepe a növényi embriogenezisben kevésbé egyértelmű, és a kérdést legalább három lehetséges hatásforrás bonyolítja: a sporofita szövet, a gametofita szövet és a poliploid endospermium. E szövetek mindegyike szoros kapcsolatban áll a petesejttel/zigótával (Ray 1998). Az endospermium fejlődését az anyai gének is befolyásolhatják. Arabidopsisban azonosítottak sporofita és gametofita anyai hatású géneket, és valószínű, hogy az endospermium genomja a zigótát is befolyásolja. Az első azonosított anyai hatásgénnek, a RÖVID INTEGÉN 1 (SIN1) génnek a sporofitában kell kifejeződnie a normális embrionális fejlődéshez (Ray és mtsai. 1996). Két transzkripciós faktor (FBP7 és FBP11) szükséges a petúnia sporofitában a normális endospermiumfejlődéshez (Columbo et al. 1997). Egy női gametofita anyai hatású gén, a MEDEA (Euripidész Médeiája után, aki megölte saját gyermekeit), fehérjetartományai hasonlóak a Drosophila anyai hatású génjéhez (Grossniklaus és mtsai. 1998). Érdekes módon a MEDEA a Polycomb-gének csoportjába tartozik (lásd a 9. fejezetet), amelyek termékei közvetlenül vagy közvetve módosítják a kromatint, és befolyásolják a transzkripciót. A MEDEA egy imprintált gént (lásd 5. fejezet) befolyásol, amelyet a nőstény gametofita és a zigótában az anyai úton öröklődő allélok fejeznek ki, de az apai úton öröklődő allélok nem (Vielle-Calzada és mtsai. 1999). Az, hogy az anyai hatású gének milyen jelentőséggel bírnak a sporofita testtervének kialakításában, még megválaszolatlan kérdés.

A sejtosztódás és differenciálódás előrehaladtával kialakulnak a radiális és axiális minták (20.18. ábra; az Arabidopsis embriogenezis részletes fénymikroszkópos felvételeiről lásd még Bowman 1994). A tulajdonképpeni embrió sejtjei kereszt- és hosszanti síkokban osztódnak, hogy egy gömb alakú, több sejtrétegű embrióst alkossanak. Felületesen ez a stádium némi hasonlóságot mutat az állatok hasadásával, de a mag/citoplazma arány nem feltétlenül növekszik. Az embrió kialakuló alakja a sejtosztódási és terjeszkedési síkok szabályozásától függ, mivel a sejtek nem képesek mozogni és átformálni az embriót. A sejtosztódási síkok a külső sejtrétegben korlátozódnak, és ez a protodermának nevezett réteg elkülönül. A radiális mintázódás a gömbölyded stádiumban alakul ki, amikor a növény három szövetrendszere (bőr, talaj és érrendszer) beindul. A bőrszövet (epidermisz) a protodermából alakul ki, és hozzájárul a növény külső védőrétegeihez. A talajszövet (kéreg és magház) a protoderma alatt elhelyezkedő talajmerisztémából alakul ki. Az embrió magjában képződő procambiumból alakulnak ki az érszövetek (xiléma és floem), amelyek a támasztásban és a szállításban működnek. Az egyes szövetrendszerek differenciálódása legalábbis részben független egymástól. Például az Arabidopsis keule mutánsában a dermális rendszer hibás, míg a belső szövetrendszerek normálisan fejlődnek (Mayer et al. 1991).

20.18. ábra

Radiális és axiális mintázódás. (A) A radiális mintázódás az angiospermiumokban a gömbölyded stádiumban kezdődik, és három szövetrendszer kialakulását eredményezi. (B) Az axiális mintázat (hajtás-gyökér tengely) a szívstádiumban jön létre.

A gömb alakú embrió elveszíti gömb alakját, amikor a sziklevelek (“első levelek”) elkezdenek kialakulni. A kétszikűeknél két sziklevél van, amelyek kialakulásuk során szív alakúvá teszik az embriót. A tengelyes testfelépítés a fejlődésnek ebben a szív stádiumában már nyilvánvalóvá válik. Hormonok (különösen az auxinok) közvetíthetik a sugárirányú szimmetriáról a kétoldali szimmetriára való átmenetet (Liu et al. 1993). Az egyszikűeknél, mint például a kukoricánál, csak egyetlen sziklevél fejlődik ki.

Sok növénynél a sziklevelek a csírázás után fotoszintetizálóvá válva segítik a növény táplálását (bár egyes fajoknál azok soha nem emelkednek ki a talajból). Néhány esetben – például a borsó esetében – az endospermiumban lévő tápláléktartalék a csírázás előtt elfogy, és a magszárlevelek szolgálnak tápanyagforrásként a csírázó magonc számára.‡ A magszárlevelek még a tartós endospermium jelenléte esetén is (mint a kukoricánál) tápláléktartalékot, például keményítőt, lipideket és fehérjéket tárolnak. Sok egyszikűben a sziklevelek az endospermiumhoz nyomott nagy szervvé nőnek, és segítik a tápanyagok átadását a csíranövénynek. A felálló sziklevelek torpedó alakot adhatnak az embriónak. Egyes növényeknél a sziklevelek olyan hosszúra nőnek, hogy meg kell hajolniuk, hogy beférjenek a maghéj kereteibe. Az embrió ilyenkor úgy néz ki, mint egy sétapálca. Ekkorra a szuszpenzor degenerálódik.

A hajtás apikális merisztéma és a gyökér apikális merisztéma olyan őssejtek csoportjai, amelyek a posztembrionális növényben megmaradnak, és a sporofita test nagy részét adják. A gyökérmerisztéma egyes fajoknál részben a hipofízisből származik. A sporofita test minden más része a tulajdonképpeni embrióból származik. Genetikai bizonyítékok arra utalnak, hogy a hajtás- és gyökérmerisztémák kialakulását egymástól függetlenül szabályozzák. Ezt a függetlenséget bizonyítja a dek23 kukorica mutáns és az Arabidopsis hajtásmerisztéma nélküli (STM) mutánsa, amelyek mindketten gyökérmerisztémát képeznek, de nem indítanak hajtásmerisztémát (Clark és Sheridan 1986; Barton és Poethig 1993). A klónozott STM gén a késői gömbölyded stádiumban, a sziklevelek kialakulása előtt fejeződik ki. Olyan géneket is azonosítottak, amelyek specifikusan befolyásolják a gyökértengely fejlődését az embriogenezis során. Az Arabidopsisban a HOBBIT gén mutációi (Willemsen és mtsai. 1998) például a hipofízis származékokat érintik, és megszüntetik a gyökérmerisztéma működését.

A hajtás apikális merisztémája a csírázás után indítja be a leveleket, és végül a reproduktív fejlődésre való átmenetet. Arabidopsisban a sziklevelek általános embrionális szövetből, nem pedig a hajtásmerisztémából keletkeznek (Barton és Poethig 1993). Sok angiospermiumban az embriogenezis során néhány levél indul be. Az Arabidopsis esetében a klónelemzés arra utal, hogy az érett embrióban levelek vannak, még ha morfológiailag nem is fejlettek (Irish és Sussex 1992). A klonális analízis kimutatta, hogy a gyapot szotyledonjai és első két valódi levele inkább embrionális szövetből, mint szervezett merisztémából származnak (Christianson 1986).

A klonális analízis kísérletek információt nyújtanak a sejtsorsokról, de nem feltétlenül jelzik, hogy a sejtek egy adott sorsra determináltak-e vagy sem. A sejtek, szövetek és szervek akkor bizonyulnak determináltnak, ha ugyanazt a sorsot mutatják in situ, izoláltan és a szervezet új pozíciójában (a növények fejlődési állapotairól lásd McDaniel et al. 1992). A klónanalízisek kimutatták, hogy a rossz síkban osztódó és más szöveti rétegbe “költöző” sejtek gyakran differenciálódnak az új helyzetüknek megfelelően. Úgy tűnik, hogy nem a klonális eredet, hanem a pozíció a kritikus tényező az embrió mintázatának kialakulásában, ami valamilyen sejt-sejt kommunikációra utal (Laux és Jurgens 1994). A szomatikus sárgarépa embriókon végzett mikrosebészeti kísérletek azt mutatják, hogy az embrió izolált darabjai gyakran képesek pótolni a hiányzó kiegészítő részeket (Schiavone és Racusen 1990; Scheres és Heidstra 1999). A hajtáscsúcsból eltávolított sziklevelet pótolják. Az izolált embrionális hajtások képesek új gyökeret regenerálni; az izolált gyökérszövet regenerálja a szikleveleket, de kevésbé valószínű, hogy a hajtástengelyt regenerálja. Bár a legtöbb embrionális sejt pluripotens és képes olyan szerveket létrehozni, mint a sziklevelek és levelek, csak a merisztémák őrzik meg ezt a képességet a posztembrionális növénytestben.