Bookshelf

Embriogeneza

În plante, termenul embriogeneză acoperă dezvoltarea din momentul fertilizării până la intrarea în repaus vegetativ. Planul corporal de bază al sporofitului este stabilit în timpul embriogenezei; cu toate acestea, acest plan este reiterat și elaborat după ce se întrerupe perioada de latență. Provocările majore ale embriogenezei sunt

Să stabilească planul corporal de bază. Modelarea radială produce trei sisteme tisulare, iar modelarea axială stabilește axa apicală-basală (lăstar-rădăcină).

Să pună deoparte țesutul meristematic pentru elaborarea postembrionară a structurii corpului (frunze, rădăcini, flori etc.).

Să stabilească o rezervă de hrană accesibilă pentru embrionul în germinare până când acesta devine autotrofic.

Embriogeneza este similară la toate angiospermele în ceea ce privește stabilirea planului corporal de bază (Steeves și Sussex 1989) (vezi figura 20.15). Cu toate acestea, există diferențe în ceea ce privește elaborarea modelului, inclusiv diferențe în ceea ce privește precizia modelelor de diviziune celulară, gradul de dezvoltare a endospermului, dezvoltarea cotiledonului și gradul de dezvoltare a meristemului de lăstari (Esau 1977; Johri et al. 1992).

Figura 20.15

Embriogeneza angiospermelor. Este prezentată o dicotiledonată reprezentativă; o monocotiledonată ar dezvolta doar un singur cotiledon. Deși există modele de bază ale embriogenezei la angiosperme, există o variație morfologică enormă între specii.

Polaritatea se stabilește în prima diviziune celulară care urmează fertilizării. Stabilirea polarității a fost investigată folosind algele brune ca sistem model (Belanger și Quatrano 2000). Zigoții acestor plante sunt independenți de alte țesuturi și pot fi manipulați. Diviziunea celulară inițială are ca rezultat o celulă mai mică, care va forma rizoidul (omologul rădăcinii) și va ancora restul plantei, și o celulă mai mare, care dă naștere la thallus (corpul principal al sporofitului). Punctul de intrare a spermatozoizilor stabilește poziția extremității rizoide a axei apical-basale. Această axă este perpendiculară pe planul primei diviziuni celulare. F-actina se acumulează la polul rizoidian (Kropf et al. 1999). Cu toate acestea, lumina sau gravitația pot anula această fixare a axei și pot stabili o nouă poziție pentru diviziunea celulară (figura 20.13; Alessa și Kropf 1999). Odată stabilită axa apicală-basală, veziculele secretorii sunt direcționate către polul rizoid al zigotului (figura 20.14). Aceste vezicule conțin material pentru excrescența rizoidală, cu un perete celular de compoziție macromoleculară distinctă. Secreția direcționată poate contribui, de asemenea, la orientarea primului plan de diviziune celulară. Menținerea soartei rizoidului față de cea a talusului la începutul dezvoltării depinde de informațiile din pereții celulari (Brownlee și Berger 1995). Informațiile despre pereții celulari par a fi, de asemenea, importante la angiosperme (revizuit în Scheres și Benfey 1999).

Figura 20.13

Figura 20.13

Formarea axei la alga brună Pelvetia compressa. (A) Un plasture de F-actină (portocaliu) se formează mai întâi la punctul de intrare a spermatozoizilor (pata albastră marchează pronucleul spermatozoizilor). (B) Ulterior, lumina a fost îndreptată în direcția săgeții. Axa indusă de spermatozoizi (continuare…)

Figura 20.14

Diviziune celulară asimetrică la algele brune. Curs de timp de la 8 la 25 de ore după fecundare, arătând celulele algelor colorate cu un colorant de membrană vitală pentru a vizualiza veziculele secretorii, care apar primele, și placa celulară, care începe să apară pe la (continuare…)

Planul corporal de bază al angiospermelor stabilit în timpul embriogenezei începe, de asemenea, cu o diviziune celulară asimetrică*, dând naștere unei celule terminale și unei celule bazale (figura 20.15). Celula terminală dă naștere embrionului propriu-zis. Celula bazală se formează cel mai aproape de micropilă și dă naștere suspensorului. Hipofiza se găsește la interfața dintre suspensor și embrionul propriu-zis. La multe specii, aceasta dă naștere la unele dintre celulele rădăcinii. (Celulele suspensorului se divid pentru a forma un organ filamentos sau sferic care degenerează mai târziu în embriogeneză). Atât la gimnosperme, cât și la angiosperme, suspensorul orientează suprafața de absorbție a embrionului spre sursa sa de hrană; la angiosperme, se pare că servește, de asemenea, ca o conductă nutritivă pentru embrionul în curs de dezvoltare. Cultivarea embrionilor izolați de fasole roșie cu și fără suspensor a demonstrat necesitatea unui suspensor până la stadiul de inimă la dicotiledonate (figura 20.16; Yeung și Sussex 1979). Embrionii cultivați cu un suspensor au de două ori mai multe șanse de supraviețuire decât embrionii cultivați fără suspensor atașat în acest stadiu. Suspensorul poate fi o sursă de hormoni. La fasolea alergătoare stacojie, embrionii mai tineri fără suspensor pot supraviețui în cultură dacă sunt suplimentați cu acid giberelic, hormon de creștere (Cionini et al. 1976).

Figura 20.16

Rolul suspensorului în embriogeneza la dicotiledonate. Cultivarea embrionilor de fasole cu bob de cătină cu și fără suspensorul lor a demonstrat că suspensorul este esențial în stadiul de inimă, dar nu și mai târziu. (După Yeung și Sussex 1979.)

Deoarece stabilirea polarității apical-basale este una dintre realizările cheie ale embriogenezei, este util să se analizeze de ce suspensorul și embrionul propriu-zis dezvoltă morfologii unice. Aici, studiul mutanților embrionari la porumb și Arabidopsis a fost deosebit de util. Investigațiile asupra mutanților suspensorului (sus1,sus2 și raspberry1) de la Arabidopsis au furnizat dovezi genetice că suspensorul are capacitatea de a dezvolta structuri asemănătoare embrionului (figura 20.17; Schwartz et al. 1994; Yadegari et al. 1994). La acești mutanți, anomaliile embrionului propriu-zis apar înainte de anomaliile suspensorului.† Experimentele anterioare în care embrionul propriu-zis a fost îndepărtat au demonstrat, de asemenea, că suspensorii se pot dezvolta ca embrionii (Haccius 1963). Un semnal de la embrionul propriu-zis către suspensor poate fi important în menținerea identității suspensorului și în blocarea dezvoltării suspensorului ca embrion. Analizele moleculare ale acestor gene și ale altor gene oferă informații despre mecanismele de comunicare între suspensor și embrionul propriu-zis.

Figura 20.17

Gena SUS suprimă dezvoltarea embrionară în suspensor. (A) Embrion și suspensor de tip sălbatic. (B) mutant sus cu suspensorul care se dezvoltă ca un embrion (săgeată). (C) Model care arată cum embrionul propriu-zis suprimă dezvoltarea embrionară în suspensor (continuare…)

Genele cu efect matern joacă un rol esențial în stabilirea modelului embrionar la animale (a se vedea capitolul 9). Rolul genelor extrazigotice în embriogeneza plantelor este mai puțin clar, iar problema este complicată de cel puțin trei surse potențiale de influență: țesutul sporofit, țesutul gametofit și endospermul poliploid. Toate aceste țesuturi se află în strânsă asociere cu oul/zigotul (Ray 1998). Dezvoltarea endospermului ar putea fi, de asemenea, afectată de genele materne. La Arabidopsis au fost identificate gene cu efect maternal sporofit și gametofit și este probabil ca genomul endospermului să influențeze, de asemenea, zigotul. Prima genă cu efect matern identificată, SHORT INTEGUMENTS 1 (SIN1), trebuie să fie exprimată în sporofit pentru o dezvoltare embrionară normală (Ray et al. 1996). Doi factori de transcripție (FBP7 și FBP11) sunt necesari în sporofitul petuniei pentru dezvoltarea normală a endospermului (Columbo et al. 1997). O genă a efectului matern al gametofitelor feminine, MEDEA (după Medeea lui Euripide, care și-a ucis proprii copii), are domenii proteice similare cu cele ale unei gene a efectului matern al Drosophilei (Grossniklaus et al. 1998). În mod curios, MEDEA face parte din grupul de gene Polycomb (a se vedea capitolul 9), ale căror produse modifică cromatina, direct sau indirect, și afectează transcripția. MEDEA afectează o genă imprimată (a se vedea capitolul 5) care este exprimată de gametofitul femelă și de alelele moștenite de la mamă în zigot, dar nu și de alelele moștenite de la tată (Vielle-Calzada et al. 1999). Cât de semnificative sunt genele cu efect matern în stabilirea planului corporal al sporofitului este încă o întrebare fără răspuns.

Planurile radiale și axiale se dezvoltă pe măsură ce diviziunea și diferențierea celulară continuă (figura 20.18; a se vedea, de asemenea, Bowman 1994 pentru micrografiile luminoase detaliate ale embriogenezei Arabidopsis). Celulele embrionului propriu-zis se divid în planuri transversale și longitudinale pentru a forma un embrion în stadiu globular cu mai multe niveluri de celule. La prima vedere, acest stadiu seamănă oarecum cu clivajul la animale, dar raportul nucleu/citoplasmă nu crește neapărat. Forma emergentă a embrionului depinde de reglarea planurilor de diviziune și expansiune celulară, deoarece celulele nu sunt capabile să se deplaseze și să remodeleze embrionul. Planurile de diviziune celulară din stratul exterior de celule se restrâng, iar acest strat, numit protoderm, devine distinct. Modelarea radială apare în stadiul globular, pe măsură ce se inițiază cele trei sisteme tisulare (dermică, terestră și vasculară) ale plantei. Țesutul dermic (epidermă) se va forma din protoderm și va contribui la straturile exterioare de protecție ale plantei. Țesutul tegumentar (cortexul și miezul) se formează din meristemul tegumentar, care se află sub protoderm. Procambiul, care se formează în miezul embrionului, va da naștere țesutului vascular (xilemul și floemul), care va avea rolul de susținere și transport. Diferențierea fiecărui sistem tisular este cel puțin parțial independentă. De exemplu, la mutantul keule din Arabidopsis, sistemul dermic este defectuos, în timp ce sistemele tisulare interne se dezvoltă normal (Mayer et al. 1991).

Figura 20.18

Configurația radială și axială. (A) Modelarea radială la angiosperme începe în stadiul globular și are ca rezultat stabilirea a trei sisteme de țesuturi. (B) Schema axială (axa lăstar-rădăcină) este stabilită de stadiul de inimă.

Forma globulară a embrionului se pierde pe măsură ce încep să se formeze cotiledonii („primele frunze”). Dicotasele au două cotiledoane, care dau embrionului un aspect în formă de inimă pe măsură ce se formează. Planul axial al corpului este evident în acest stadiu de dezvoltare al inimii. Hormonii (în special, auxinele) pot media tranziția de la simetria radială la cea bilaterală (Liu et al. 1993). La monocotiledonate, cum ar fi porumbul, apare un singur cotiledon.

La multe plante, cotiledonii ajută la hrănirea plantei, devenind fotosintetici după germinare (deși cei ai unor specii nu ies niciodată din pământ). În unele cazuri – mazărea, de exemplu – rezerva de hrană din endosperm este epuizată înainte de germinare, iar cotiledoanele servesc ca sursă de nutrienți pentru răsadul care germinează.‡ Chiar și în prezența unui endosperm persistent (ca la porumb), cotiledoanele stochează rezerve de hrană, cum ar fi amidonul, lipidele și proteinele. La multe monocotiledonate, cotiledonul se transformă într-un organ mare presat de endosperm și ajută la transferul de nutrienți către răsad. Cotiledonii verticali pot da embrionului o formă de torpedo. La unele plante, cotiledonii cresc suficient de mult încât trebuie să se îndoaie pentru a încăpea în limitele învelișului semințelor. Embrionul arată atunci ca un baston. În acest moment, suspensorul degenerează.

Meristemul apical al lăstarilor și meristemul apical al rădăcinilor sunt grupuri de celule stem care vor persista în planta postembrionară și vor da naștere la cea mai mare parte a corpului sporofitului. Meristemul radicular este parțial derivat din hipofiză la unele specii. Toate celelalte părți ale corpului sporofitului sunt derivate din embrionul propriu-zis. Dovezile genetice indică faptul că formarea meristemelor de lăstar și de rădăcină este reglementată independent. Această independență este demonstrată de mutantul dek23 din porumb și de mutantul fără meristeme de lăstari (STM) din Arabidopsis, care formează un meristem radicular, dar nu reușesc să inițieze un meristem de lăstari (Clark și Sheridan 1986; Barton și Poethig 1993). Gena STM, care a fost clonată, este exprimată în stadiul globular târziu, înainte de formarea cotiledonilor. Au fost identificate, de asemenea, gene care afectează în mod specific dezvoltarea axei radiculare în timpul embriogenezei. Mutațiile genei HOBBIT la Arabidopsis (Willemsen et al. 1998), de exemplu, afectează derivații hipofizei și elimină funcția meristemului radicular.

Meristemul apical al lăstarilor va iniția frunzele după germinare și, în cele din urmă, tranziția către dezvoltarea reproductivă. La Arabidopsis, cotiledonii sunt produși din țesutul embrionar general, nu din meristemul de lăstari (Barton și Poethig 1993). La multe angiosperme, câteva frunze sunt inițiate în timpul embriogenezei. În cazul Arabidopsis, analiza clonală indică prezența frunzelor în embrionul matur, chiar dacă acestea nu sunt bine dezvoltate din punct de vedere morfologic (Irish și Sussex 1992). Analiza clonală a demonstrat că cotiledoanele și primele două frunze adevărate ale bumbacului derivă din țesutul embrionar, mai degrabă decât dintr-un meristem organizat (Christianson 1986).

Experimentele de analiză clonală oferă informații despre destinele celulelor, dar nu indică neapărat dacă celulele sunt sau nu determinate pentru o anumită soartă. Se demonstrează că celulele, țesuturile și organele sunt determinate atunci când au aceeași soartă in situ, în izolare și într-o nouă poziție în organism (a se vedea McDaniel et al. 1992 pentru mai multe informații despre stările de dezvoltare la plante). Analiza clonală a demonstrat că celulele care se divid în planul greșit și se „mută” într-un strat tisular diferit se diferențiază adesea în funcție de noua lor poziție. Poziția, mai degrabă decât originea clonală, pare a fi factorul critic în formarea modelului embrionar, sugerând un anumit tip de comunicare celulă-celulă (Laux și Jurgens 1994). Experimentele de microchirurgie pe embrioni somatici de morcov demonstrează că bucățile izolate de embrion pot înlocui adesea complementul de părți lipsă (Schiavone și Racusen 1990; Scheres și Heidstra 1999). Un cotiledon îndepărtat din apexul lăstarului va fi înlocuit. Lăstarii embrionari izolați pot regenera o nouă rădăcină; țesutul radicular izolat regenerează cotiledonii, dar este mai puțin probabil să regenereze axa lăstarului. Deși majoritatea celulelor embrionare sunt pluripotente și pot genera organe precum cotiledonii și frunzele, numai meristemele păstrează această capacitate în corpul plantei postembrionare.