Bookshelf

Figuur 20.14

Asymmetrische celdeling bij bruinwieren. Tijdsverloop van 8 tot 25 uur na de bevruchting, waarbij de algencellen gekleurd zijn met een vitale membraankleurstof om de afscheidingsblaasjes te visualiseren, die het eerst verschijnen, en de celplaat, die ongeveer (meer…)

Het tijdens de embryogenese vastgelegde basale lichaamsplan van het angiosperm begint ook met een asymmetrische* celdeling, waarbij een eindcel en een basiscel ontstaan (figuur 20.15). Uit de terminale cel ontstaat het eigenlijke embryo. De basale cel vormt zich het dichtst bij de micropyle en vormt de suspensor. De hypofyse bevindt zich op het grensvlak tussen de suspensor en het eigenlijke embryo. Bij veel soorten ontstaat hieruit een deel van de wortelcellen. (De cellen van de suspensor delen zich om een draadvormig of bolvormig orgaan te vormen dat later in de embryogenese ontaardt). Zowel bij de gymnospermen als bij de angiospermen oriënteert de suspensor het absorberend oppervlak van het embryo in de richting van zijn voedselbron; bij de angiospermen lijkt hij ook te dienen als voedingskanaal voor het zich ontwikkelende embryo. Het kweken van geïsoleerde embryo’s van scharlakenrode pronkbonen met en zonder de suspensor heeft de noodzaak van een suspensor tot in het hartstadium bij dicots aangetoond (figuur 20.16; Yeung en Sussex 1979). Embryo’s die met een suspensor worden gekweekt, hebben tweemaal zoveel kans om in dit stadium te overleven als embryo’s die zonder een bevestigde suspensor worden gekweekt. De suspensor kan een bron van hormonen zijn. Bij scharlaken runnerbonen kunnen jongere embryo’s zonder suspensor in cultuur overleven als ze worden aangevuld met het groeihormoon gibberellinezuur (Cionini et al. 1976).

Figuur 20.16

Rol van de suspensor in de embryogenese van dicotten. Uit de kweek van scharlakenrode pronkboonembryo’s met en zonder hun suspensoren is gebleken dat de suspensor essentieel is in het hartvormige stadium, maar niet later. (Naar Yeung en Sussex 1979.)

Aangezien het tot stand komen van apicaal-basale polariteit een van de belangrijkste verwezenlijkingen van de embryogenese is, is het nuttig na te gaan waarom de suspensor en het eigenlijke embryo unieke morfologieën ontwikkelen. De studie van embryomutanten bij maïs en Arabidopsis is in dit verband bijzonder nuttig gebleken. Onderzoek van suspensormutanten (sus1,sus2, en raspberry1) van Arabidopsis heeft genetisch aangetoond dat de suspensor in staat is embryo-achtige structuren te ontwikkelen (Figuur 20.17; Schwartz et al. 1994; Yadegari et al. 1994). Bij deze mutanten treden afwijkingen aan het eigenlijke embryo op vóór de afwijkingen aan de suspensor.† Eerdere experimenten waarbij het eigenlijke embryo werd verwijderd, toonden eveneens aan dat suspensoren zich als embryo’s kunnen ontwikkelen (Haccius 1963). Een signaal van het eigenlijke embryo naar de suspensor kan belangrijk zijn om de identiteit van de suspensor te handhaven en de ontwikkeling van de suspensor als embryo te blokkeren. Moleculaire analyses van deze en andere genen verschaffen inzicht in de mechanismen van communicatie tussen de suspensor en het eigenlijke embryo.

Figuur 20.17

Het SUS-gen onderdrukt de embryonale ontwikkeling in de suspensor. (A) Wild-type embryo en suspensor. (B) sus mutant met suspensor die zich ontwikkelt als een embryo (pijl). (C) Model dat laat zien hoe het eigenlijke embryo de embryonale ontwikkeling in de suspensor onderdrukt (meer…)

Maternale effectgenen spelen een sleutelrol in de bepaling van het embryonale patroon bij dieren (zie hoofdstuk 9). De rol van extrazygote genen in de embryogenese van planten is minder duidelijk, en de kwestie wordt gecompliceerd door ten minste drie potentiële bronnen van invloed: sporofytisch weefsel, gametofytisch weefsel, en het polyploïde endosperm. Al deze weefsels staan in nauw verband met de eicel/zygote (Ray 1998). De ontwikkeling van het endosperm kan ook worden beïnvloed door maternale genen. In Arabidopsis zijn sporofytische en gametofytische maternale effectgenen geïdentificeerd, en het is waarschijnlijk dat het endospermgenoom ook de zygote beïnvloedt. Het eerste maternale effectgen dat werd geïdentificeerd, SHORT INTEGUMENTS 1 (SIN1), moet in de sporofyt tot expressie komen voor een normale embryonale ontwikkeling (Ray et al. 1996). Twee transcriptiefactoren (FBP7 en FBP11) zijn nodig in de petunia sporofyt voor een normale ontwikkeling van het endosperm (Columbo et al. 1997). Een maternaal effectgen voor vrouwelijke gametofyten, MEDEA (naar Medea van Euripides, die haar eigen kinderen doodde), heeft eiwitdomeinen die lijken op die van een maternaal effectgen van Drosophila (Grossniklaus et al. 1998). Merkwaardig genoeg behoort MEDEA tot de Polycomb gengroep (zie Hoofdstuk 9), waarvan de producten het chromatine veranderen, direct of indirect, en de transcriptie beïnvloeden. MEDEA beïnvloedt een ingeprent gen (zie Hoofdstuk 5) dat tot expressie komt door de vrouwelijke gametofyt en door maternaal geërfde allelen in de zygote, maar niet door paternaal geërfde allelen (Vielle-Calzada et al. 1999). Hoe belangrijk maternale effectgenen zijn bij het vaststellen van het lichaamsplan van de sporofyt is nog een onbeantwoorde vraag.

Radiale en axiale patronen ontwikkelen zich naarmate de celdeling en differentiatie voortgaan (figuur 20.18; zie ook Bowman 1994 voor gedetailleerde lichtmicrofoto’s van Arabidopsis embryogenese). De cellen van het eigenlijke embryo delen zich in dwars- en langsrichting en vormen een bolvormig embryo met verschillende lagen cellen. Oppervlakkig gezien vertoont dit stadium enige gelijkenis met de splitsing bij dieren, maar de verhouding kern/cytoplasma neemt niet noodzakelijk toe. De vorm die het embryo aanneemt, hangt af van de regulering van de celdelings- en expansievlakken, aangezien de cellen niet in staat zijn te bewegen en het embryo een nieuwe vorm te geven. De celdelingsvlakken in de buitenste cellaag worden beperkt en deze laag, die het protoderm wordt genoemd, wordt duidelijk. Radiale patronen ontstaan in het bolvormige stadium wanneer de drie weefselsystemen (huidweefsel, grondweefsel en vaatweefsel) van de plant worden geïnitieerd. Het huidweefsel (epidermis) wordt gevormd uit het protoderm en draagt bij tot de buitenste beschermlagen van de plant. Het grondweefsel (cortex en merg) wordt gevormd uit de grondmeristeem, die onder het protoderm ligt. Uit het procambium, dat zich in de kern van het embryo vormt, ontstaat het vaatweefsel (xyleem en floëem), dat voor ondersteuning en transport zorgt. De differentiatie van elk weefselsysteem is althans gedeeltelijk onafhankelijk. Bijvoorbeeld, in de keule mutant van Arabidopsis is het dermale systeem defect, terwijl de binnenste weefselsystemen zich normaal ontwikkelen (Mayer et al. 1991).

Figuur 20.18

Radiale en axiale patroonvorming. (A) Het radiale patroon in angiospermen begint in het bolvormige stadium en resulteert in de vorming van drie weefselsystemen. (B) Het axiale patroon (spruit-wortelas) wordt gevormd door het hartstadium.

De bolvorm van het embryo gaat verloren wanneer de zaadlobben (“eerste bladeren”) zich beginnen te vormen. Dicots hebben twee zaadlobben, die het embryo bij de vorming een hartvormig aanzien geven. Het axiale lichaamsplan is duidelijk in dit hartstadium van de ontwikkeling. Hormonen (in het bijzonder auxines) kunnen een rol spelen bij de overgang van radiale naar bilaterale symmetrie (Liu et al. 1993). Bij monocoten, zoals maïs, komt slechts één zaadlob te voorschijn.

Bij veel planten helpen de zaadlobben bij de voeding van de plant doordat zij na het ontkiemen fotosynthetisch worden (hoewel die van sommige soorten nooit uit de grond komen). In sommige gevallen – erwten, bijvoorbeeld – is de voedselreserve in het endosperm opgebruikt vóór de ontkieming, en dienen de zaadlobben als voedingsbron voor de ontkiemende zaailing.‡ Zelfs in de aanwezigheid van een persistent endosperm (zoals bij maïs), slaan de zaadlobben voedselreserves op zoals zetmeel, lipiden en eiwitten. Bij veel eenzaadlobbigen groeit de zaadlob uit tot een groot orgaan dat tegen het endosperm wordt gedrukt en helpt bij de overdracht van voedingsstoffen naar de zaailing. Rechtopstaande zaadlobben kunnen het embryo de vorm van een torpedo geven. Bij sommige planten worden de zaadlobben zo lang dat ze moeten buigen om binnen de begrenzing van de zaadhuid te passen. Het embryo ziet er dan uit als een wandelstok. Tegen die tijd is de suspensor aan het degenereren.

De apicale meristeem van de scheut en de apicale meristeem van de wortel zijn clusters van stamcellen die in de postembryonale plant zullen blijven bestaan en waaruit het grootste deel van het sporofytenlichaam zal voortkomen. Het wortelmeristeem is bij sommige soorten gedeeltelijk afgeleid van de hypofyse. Alle andere delen van het sporofytenlichaam zijn afkomstig van het eigenlijke embryo. Genetische aanwijzingen duiden erop dat de vorming van de scheut- en wortelmeristemen onafhankelijk van elkaar wordt gereguleerd. Deze onafhankelijkheid wordt aangetoond door de dek23 maïsmutant en de shootmeristemless (STM) mutant van Arabidopsis, die beide een wortelmeristeem vormen maar er niet in slagen een scheutmeristeem te initiëren (Clark en Sheridan 1986; Barton en Poethig 1993). Het STM-gen, dat is gekloond, komt tot expressie in het late bolvormige stadium, vóór de vorming van de zaadlobben. Er zijn ook genen geïdentificeerd die specifiek van invloed zijn op de ontwikkeling van de wortelas tijdens de embryogenese. Mutaties van het HOBBIT-gen in Arabidopsis (Willemsen et al. 1998), bijvoorbeeld, tasten de hypofyse-derivaten aan en elimineren de functie van de wortelmeristeem.

De shoot apical meristem zal na kieming de bladeren initiëren en uiteindelijk de overgang naar de reproductieve ontwikkeling. Bij Arabidopsis worden de zaadlobben geproduceerd uit algemeen embryonaal weefsel, niet uit de scheutmeristeem (Barton en Poethig 1993). Bij veel angiospermen worden tijdens de embryogenese enkele bladeren geïnitieerd. In het geval van Arabidopsis wijst de klonale analyse op de aanwezigheid van bladeren in het rijpe embryo, ook al zijn ze morfologisch niet goed ontwikkeld (Irish en Sussex 1992). Klonale analyse heeft aangetoond dat de zaadlobben en de eerste twee echte bladeren van katoen afkomstig zijn van embryonaal weefsel en niet van een georganiseerde meristeem (Christianson 1986).

Klonale analyse-experimenten geven informatie over het lot van cellen, maar geven niet noodzakelijk aan of cellen al dan niet voor een bepaald lot bestemd zijn. Cellen, weefsels en organen blijken gedetermineerd te zijn wanneer zij in situ, geïsoleerd, en op een nieuwe plaats in het organisme hetzelfde lot hebben (zie McDaniel et al. 1992 voor meer informatie over ontwikkelingstoestanden bij planten). Clonale analyse heeft aangetoond dat cellen die zich in het verkeerde vlak delen en naar een andere weefsellaag “verhuizen”, zich vaak differentiëren volgens hun nieuwe positie. Positie, en niet de klonale oorsprong, lijkt de kritische factor te zijn bij de vorming van embryopatronen, wat wijst op een of andere vorm van cel-celcommunicatie (Laux en Jurgens 1994). Microchirurgische experimenten op somatische wortelembryo’s tonen aan dat geïsoleerde stukjes embryo vaak de ontbrekende aanvulling van delen kunnen vervangen (Schiavone en Racusen 1990; Scheres en Heidstra 1999). Een cotyledon dat uit de top van de scheut is verwijderd, wordt vervangen. Geïsoleerde embryonale scheuten kunnen een nieuwe wortel regenereren; geïsoleerd wortelweefsel regenereert cotyledonen, maar zal minder snel de scheutas regenereren. Hoewel de meeste embryonale cellen pluripotent zijn en organen zoals zaadlobben en bladeren kunnen genereren, behouden alleen meristemen deze capaciteit in het post-embryonale plantenlichaam.