Bokhylla

Embryogenes

I växter omfattar termen embryogenes utvecklingen från befruktningen till dess att vila inträder. Den grundläggande kroppsplanen för sporofyten upprättas under embryogenesen, men denna plan upprepas och utarbetas efter det att dvalan bryts. De viktigaste utmaningarna under embryogenesen är

Att etablera den grundläggande kroppsplanen. Radial mönstring producerar tre vävnadssystem, och axial mönstring etablerar den apikala-basala axeln (skottrot).

Att avsätta meristematisk vävnad för postembryonisk utarbetande av kroppsstrukturen (blad, rötter, blommor etc.).

För att upprätta en tillgänglig födoreserv för det groende embryot tills det blir autotroft.

Embryogenesen är likartad hos alla angiospermer när det gäller upprättandet av den grundläggande kroppsplanen (Steeves och Sussex 1989) (se figur 20.15). Det finns dock skillnader i utarbetandet av mönster, inklusive skillnader i precisionen av celldelningsmönster, omfattningen av endospermutveckling, kotyledonutveckling och omfattningen av skottmeristemutveckling (Esau 1977; Johri et al. 1992).

Figur 20.15

Angiosperms embryogenes. En representativ dikotylört visas; en monokotylört skulle utveckla endast ett enda kotyledon. Även om det finns grundläggande mönster för embryogenesen hos angiospermerna finns det en enorm morfologisk variation mellan arterna.

Polariteten etableras i den första celldelningen efter befruktningen. Etableringen av polaritet har undersökts med hjälp av brunalger som ett modellsystem (Belanger och Quatrano 2000). Zygotterna hos dessa växter är oberoende av andra vävnader och kan manipuleras. Den första celldelningen resulterar i en mindre cell, som kommer att bilda rhizoid (rothomolog) och förankra resten av växten, och en större cell, som ger upphov till thallus (sporofytens huvudkropp). Den punkt där spermierna tränger in fastställer positionen för rhizoidens ände av den apikala-basala axeln. Denna axel är vinkelrät mot planet för den första celldelningen. F-aktin ackumuleras vid rhizoidpolen (Kropf et al. 1999). Ljus eller gravitation kan dock upphäva denna fixering av axeln och etablera en ny position för celldelningen (figur 20.13; Alessa och Kropf 1999). När den apikala-basala axeln väl är etablerad riktas de sekretoriska vesiklarna mot zygotens rhizoidpol (figur 20.14). Dessa vesiklar innehåller material för rhizoidutväxten, med en cellvägg av distinkt makromolekylär sammansättning. Den riktade utsöndringen kan också hjälpa till att orientera celldelningens första plan. Upprätthållandet av rhizoidernas respektive thallusens öde tidigt i utvecklingen beror på information i cellväggarna (Brownlee och Berger 1995). Cellväggsinformation verkar också vara viktig hos angiospermer (granskad i Scheres och Benfey 1999).

Figur 20.13

Axelbildning hos brunalgen Pelvetia compressa. (A) En F-aktinfläck (orange) bildas först vid den punkt där spermier kommer in (den blå fläcken markerar spermiernas pronukleus). (B) Senare sköts ljuset i pilens riktning. Den spermieinducerade axeln (mer…)

Figur 20.14

Asymmetrisk celldelning i brunalger. Tidsförlopp från 8 till 25 timmar efter befruktning, som visar algceller färgade med ett vitalt membranfärgämne för att visualisera sekretoriska vesiklar, som uppträder först, och cellplattan, som börjar uppträda ungefär (mer…)

Angiospermernas grundläggande kroppsplan, som läggs fast under embryogenesen, börjar också med en asymmetrisk* celldelning, som ger upphov till en terminalcell och en basalcell (figur 20.15). Den terminala cellen ger upphov till det egentliga embryot. Den basala cellen bildas närmast mikropylen och ger upphov till suspensionsorganet. Hypofysen finns i gränssnittet mellan suspensorn och det egentliga embryot. Hos många arter ger den upphov till en del av rotcellerna. (Suspensorcellerna delar sig och bildar ett trådigt eller sfäriskt organ som degenererar senare i embryogenesen). Hos både gymnospermer och angiospermer orienterar suspensionen embryots absorberande yta mot dess födokälla; hos angiospermer tycks den också fungera som en näringsledare för det utvecklande embryot. Odling av isolerade embryon av skarpnäbbade bönor med och utan suspensionsorgan har visat att det finns ett behov av ett suspensionsorgan under hela hjärtstadiet hos tvåbladiga växter (figur 20.16; Yeung och Sussex 1979). Embryon som odlas med en suspenseor har dubbelt så stor chans att överleva som embryon som odlas utan en fastsatt suspenseor i detta skede. Suspensorn kan vara en källa till hormoner. I scharlakansröd bönor kan yngre embryon utan suspensionsor överleva i odling om de kompletteras med tillväxthormonet gibberellinsyra (Cionini et al. 1976).

Figur 20.16

Suspensorns roll i dicotembryogenesen. Odling av embryon från scharlakansröd bönor med och utan sina suspensorer har visat att suspensorn är nödvändig i det hjärtformade stadiet, men inte senare. (Efter Yeung och Sussex 1979.)

Då etableringen av apikal-basal polaritet är en av embryogenesens viktigaste landvinningar, är det lämpligt att fundera över varför suspensionsorganet och det egentliga embryot utvecklar unika morfologier. Här har studiet av embryomutanter i majs och Arabidopsis varit särskilt användbart. Undersökningar av suspensormutanter (sus1, sus2 och raspberry1) i Arabidopsis har gett genetiska bevis för att suspensorn har förmågan att utveckla embryoliknande strukturer (figur 20.17; Schwartz et al. 1994; Yadegari et al. 1994). Hos dessa mutanter uppträder avvikelser i det egentliga embryot före avvikelser i suspensorerna.† Tidigare experiment där det egentliga embryot avlägsnades visade också att suspensorerna kunde utvecklas som embryon (Haccius 1963). En signal från det egentliga embryot till suspensorn kan vara viktig för att upprätthålla identiteten hos suspensorn och blockera utvecklingen av suspensorn som ett embryo. Molekylära analyser av dessa och andra gener ger insikt i mekanismerna för kommunikationen mellan suspensorn och det egentliga embryot.

Figur 20.17

SUS-genen undertrycker embryonal utveckling i suspensorn. (A) Embryo och suspensor av vildtyp. (B) Sus-mutant med suspensor som utvecklas som ett embryo (pil). (C) Modell som visar hur det egentliga embryot undertrycker den embryonala utvecklingen i suspensorn (mer…)

Maternella effektgener spelar en nyckelroll när det gäller att etablera det embryonala mönstret hos djur (se kapitel 9). De extrazygotiska genernas roll i växtembryogenesen är mindre klar, och frågan kompliceras av minst tre potentiella påverkanskällor: sporofytisk vävnad, gametofytisk vävnad och den polyploida endospermen. Alla dessa vävnader är i nära anslutning till ägget/zygoten (Ray 1998). Endospermens utveckling kan också påverkas av moderliga gener. Sporofytiska och gametofytiska maternella effektgener har identifierats i Arabidopsis, och det är troligt att endospermgenomet också påverkar zygoten. Den första genen med maternell effekt som identifierades, SHORT INTEGUMENTS 1 (SIN1), måste uttryckas i sporofyten för normal embryonal utveckling (Ray et al. 1996). Två transkriptionsfaktorer (FBP7 och FBP11) behövs i petunia sporofyt för normal endospermutveckling (Columbo et al. 1997). En kvinnlig gametofytisk gen för maternell effekt, MEDEA (efter Euripides’ Medea, som dödade sina egna barn), har proteindomäner som liknar dem i en Drosophila-gen för maternell effekt (Grossniklaus et al. 1998). Märkligt nog ingår MEDEA i gengruppen Polycomb (se kapitel 9), vars produkter förändrar kromatin, direkt eller indirekt, och påverkar transkriptionen. MEDEA påverkar en präglad gen (se kapitel 5) som uttrycks av den kvinnliga gametofytten och av moderligt nedärvda alleler i zygoten, men inte av faderligt nedärvda alleler (Vielle-Calzada et al. 1999). Hur betydelsefulla gener med maternell effekt är för att etablera sporofytens kroppsplan är fortfarande en obesvarad fråga.

Radiala och axiella mönster utvecklas allteftersom celldelningen och differentieringen fortsätter (figur 20.18; se även Bowman 1994 för detaljerade ljusmikrografer av Arabidopsis embryogenes). Cellerna i det egentliga embryot delar sig i tvärgående och längsgående plan för att bilda ett globulärt stadiumembryo med flera lager av celler. Ytligt sett har detta stadium vissa likheter med klyvning hos djur, men förhållandet mellan kärnor och cytoplasma ökar inte nödvändigtvis. Embryots framväxande form beror på regleringen av planerna för celldelning och expansion, eftersom cellerna inte kan röra sig och omforma embryot. Celldelningsplanerna i det yttre cellskiktet blir begränsade, och detta skikt, som kallas protoderm, blir distinkt. Radial mönstring framträder i det globulära stadiet när växtens tre vävnadssystem (dermal, jord och kärl) inleds. Hudvävnaden (epidermis) kommer att bildas från protodermen och bidra till växtens yttre skyddande lager. Jordvävnad (cortex och märg) bildas från jordmeristemet, som ligger under protodermen. Prokambium, som bildas i embryots kärna, kommer att ge upphov till kärlvävnad (xylem och phloem), som kommer att fungera som stöd och transport. Differentieringen av varje vävnadssystem är åtminstone delvis oberoende. Till exempel i keule-mutanten av Arabidopsis är det dermala systemet defekt medan de inre vävnadssystemen utvecklas normalt (Mayer et al. 1991).

Figur 20.18

Radial och axial mönstring. (A) Radial mönstring hos angiospermer börjar i det globulära stadiet och resulterar i upprättandet av tre vävnadssystem. (B) Det axiella mönstret (axeln mellan skott och rot) etableras vid hjärtstadiet.

Den globulära formen hos embryot försvinner när kotyledoner (”första blad”) börjar bildas. Dicoter har två kotyledoner, som ger embryot ett hjärtformat utseende när de bildas. Den axiella kroppsplanen är uppenbar i detta hjärtstadium av utvecklingen. Hormoner (särskilt auxiner) kan förmedla övergången från radiell till bilateral symmetri (Liu et al. 1993). Hos monokottar, såsom majs, uppstår endast ett enda kotyledon.

I många växter hjälper kotyledonerna till att ge näring åt växten genom att bli fotosyntetiska efter groningen (även om de hos vissa arter aldrig kommer upp ur marken). I vissa fall – till exempel ärter – förbrukas matreserven i endospermen före groningen, och kotyledonen tjänar som näringskälla för den groende plantan.‡ Även om det finns en kvarstående endosperm (som i majs) lagrar kotyledonen matreserver som stärkelse, lipider och proteiner. Hos många monokotyledoner växer kotyledonen till ett stort organ som pressas mot endospermen och hjälper till med näringsöverföringen till fröplantan. Uppstående kotyledoner kan ge embryot en torpedform. Hos vissa växter blir kotyledonen så långa att de måste böja sig för att rymmas inom fröskalets gränser. Embryot ser då ut som en käpp. Vid det här laget degenererar suspensionsorganet.

Den skottpikala meristemet och den rotpikala meristemet är kluster av stamceller som kommer att finnas kvar i den postembryonala växten och ge upphov till större delen av sporofytkroppen. Rotmeristemet härstammar delvis från hypofysen hos vissa arter. Alla andra delar av sporofytkroppen härstammar från det egentliga embryot. Genetiska bevis tyder på att bildandet av skott- och rotmeristem regleras oberoende av varandra. Detta oberoende påvisas av majsmutanten dek23 och mutanten shootmeristemless (STM) hos Arabidopsis, som båda bildar ett rotmeristem men misslyckas med att initiera ett skottmeristem (Clark och Sheridan 1986; Barton och Poethig 1993). STM-genen, som har klonats, uttrycks i det sena globulära stadiet, innan kotyledoner bildas. Man har också identifierat gener som specifikt påverkar utvecklingen av rodaxeln under embryogenesen. Mutationer av HOBBIT-genen i Arabidopsis (Willemsen et al. 1998) påverkar till exempel hypofysederivaten och eliminerar rotmeristemfunktionen.

Det skottets apikala meristem kommer att initiera blad efter groddning och slutligen övergången till reproduktiv utveckling. I Arabidopsis produceras kotyledonen från allmän embryonal vävnad, inte från skottmeristemet (Barton och Poethig 1993). Hos många angiospermer initieras några få blad under embryogenesen. När det gäller Arabidopsis pekar klonanalysen på förekomsten av blad i det mogna embryot, även om de inte är morfologiskt välutvecklade (Irish och Sussex 1992). Klonanalys har visat att kotyledonen och de två första äkta bladen hos bomull härstammar från embryonal vävnad snarare än från ett organiserat meristem (Christianson 1986).

Klonala analysförsök ger information om cellöden, men visar inte nödvändigtvis om cellerna är bestämda för ett visst öde eller inte. Celler, vävnader och organ visas vara bestämda när de har samma öde in situ, i isolering och vid en ny position i organismen (se McDaniel et al. 1992 för mer information om utvecklingstillstånd hos växter). Klonanalyser har visat att celler som delar sig i fel plan och ”flyttar” till ett annat vävnadslager ofta differentierar sig enligt sin nya position. Positionen, snarare än det klonala ursprunget, verkar vara den kritiska faktorn i embryomönsterbildningen, vilket tyder på någon typ av cell-cellkommunikation (Laux och Jurgens 1994). Mikrokirurgiska experiment på somatiska morotsembryon visar att isolerade embryobitar ofta kan ersätta den saknade kompletteringen av delar (Schiavone och Racusen 1990; Scheres och Heidstra 1999). Ett kotyledon som avlägsnats från skottspetsen kommer att ersättas. Isolerade embryonala skott kan regenerera en ny rot; isolerad rotvävnad regenererar kotyledoner, men det är mindre troligt att skjutaxeln regenereras. Även om de flesta embryonala celler är pluripotenta och kan generera organ som kotyledoner och blad, är det bara meristemer som behåller denna förmåga i den postembryonala växtkroppen.