Bielmo - tkanka odżywiająca zarodek. II. Autonomiczny rozwój bielma u ro ślin okrytonasiennych (Angiospermae).pdf - KOSMOS 2002 Tom 51, Numer 1 (254) - fungurius

Tom 51, 2002

Numer 1 (254)

Strony 85–97

E L¯BIETA K UTA 1 iJ OANNA R OJEK 2

1 Zak³ad Cytologii i Embriologii Roœlin

Uniwersytet Jagielloñski

Grodzka 52, 31-044 Kraków

e-mail: kutael@grodzki.phils.uj.edu.pl

2 Zak³ad Genetyki i Cytologii

Uniwersytet Gdañski

K³adki 24, 80-822 Gdañsk

e-mail: rojek@biotech.univ.gda.pl

BIELMO — TKANKA OD¯YWIAJ¥CA ZARODEK

II. AUTONOMICZNY ROZWÓJ BIELMA U ROŒLIN OKRYTONASIENNYCH

(ANGIOSPERMAE)

WSTÊP

Bielmo (endosperma, endosperm) jest bar-

dzo wa¿n¹ tkank¹ roœlinn¹, która dostarcza

substancji od¿ywczych dla rozwijaj¹cego siê

zarodka i dojrzewaj¹cego nasienia. U wiêkszo-

œci rozmna¿aj¹cych siê p³ciowo Angiospermae

bielmo powstaje w wyniku podwójnego

zap³odnienia z komórki centralnej i pra-

wid³owy rozwój jest uzale¿niony od w³aœciwej

proporcji (2:1) matczynego i ojcowskiego ge-

nomu, bior¹cych udzia³ w jego powstaniu. Ja-

kiekolwiek, nawet nieznaczne, zak³ócenie w

tym stosunku ma wp³yw na ¿ywotnoœæ zarod-

ka. Przypuszcza siê, ¿e ten sam gen mo¿e dawaæ

ró¿ny efekt w zale¿noœci od tego czy jest dzie-

dziczony drog¹ mêsk¹ czy ¿eñsk¹ (patrz art.

R OJEK iK UTA w tym numerze KOSMOSU).

Wystêpowanie autonomicznego bielma

(rozwijaj¹cego siê bez zap³odnienia komórki

centralnej) in vivo u ró¿nych taksonów (auto-

nomiczne apomikty, nieliczne gatunki rozmna-

¿aj¹ce siê p³ciowo), u których genom ojcowski

w ogóle nie uczestniczy w jego rozwoju, jak

równie¿ mo¿liwoœæ prawid³owego rozwoju

bielma przy innym ni¿ 2:1 stosunku genomów

rodzicielskich (np. u roœlin z rozwojem mega-

gametofitu wg typu Oenothera, Penea, Fritilla-

ria, Peperomia; u wiêkszoœci pseudogamicz-

nych apomiktów) wskazuj¹, ¿e w toku ewolu-

cji roœliny wykszta³ci³y adaptacjê do normalne-

go rozwoju bielma i nasion bez zachowania

wymaganego stosunku genomów rodziciel-

skich (patrz G RIMANELLI i wspó³aut. 2001,

R OJEK iK UTA w tym numerze KOSMOSU).

Autonomiczny rozwój bielma mo¿na zaini-

cjowaæ w warunkach eksperymentalnych w

wyniku zapyleñ napromieniowanym py³kiem,

jak równie¿ w wyniku kultur in vitro nie-

zap³odnionych zal¹¿ków.

W ostatnich kilku latach ukaza³o siê wiele

prac na temat mutacji fie , mea i fis u Arabi-

dopsis (np.: O HAD i wspó³aut. 1996, 1999;

G ROSSNIKLAUS i wspó³aut. 1998, 2001;

G OLDBERG iF ISCHER 1999; K IYOSUE i wspó³aut.

1999; L UO i wspó³aut. 1999, 2000; V INKENOOG

i wspó³aut. 2000; V INKENOOG iS COTT 2001).

Zmutowane geny s¹ odpowiedzialne za nieza-

le¿ny od zap³odnienia rozwój endospermy i na-

sienia. Badania te wskazuj¹, ¿e zap³odnienie

nie jest konieczne do stymulacji formowania

siê endospermy nawet we wczesnych etapach

rozwoju, jak równie¿, ¿e drogi rozwoju komór-

ki jajowej i komórki centralnej s¹ niezale¿ne,

E L¯BIETA K UTA iJ OANNA R OJEK

gdy¿ mutacja fie nie inicjuje embriogenezy.

Nadal jednak niewiele wiadomo na temat gene-

tycznych podstaw autonomicznego rozwoju

bielma i partenogenetycznego ró¿nicowania

siê komórki jajowej.

AUTONOMICZNY ROZWÓJ BIELMA U ROZMNA¯AJ¥CYCH SIÊ P£CIOWO ROŒLIN

AUTONOMICZNY ROZWÓJ BIELMA IN SITU

miast w wyniku krzy¿owañ miêdzy klonami

powstawa³y ¿ywotne nasiona i siewki.

Autonomiczny rozwój bielma uda³o siê

równie¿ uzyskaæ w warunkach in situ u orze-

cha w³oskiego ( Juglans regia )(T ADEO i

wspó³aut. 1994). G³ównym celem badañ by³o

œledzenie rozwoju woreczka zal¹¿kowego i

wp³ywu endogennych giberelin na zapylone i

niezapylone zal¹¿nie tej roœliny. Uzyskane wy-

niki wskazuj¹ na to, ¿e kolejnoœæ zapyle-

nie/zap³odnienie moduluje poziom fitohor-

monów. Pocz¹tkowo, tu¿ po zapyleniu, nastê-

puje obni¿enie poziomu hormonów, a nastêp-

nie, krótko po rozpoczêciu embriogenezy, po-

ziom hormonów podnosi siê i utrzymuje na

mniej wiêcej sta³ym poziomie. W niezapylo-

nych zal¹¿niach najni¿szy notowany poziom

giberelin pokrywa³ siê z momentem zahamo-

wania wzrostu zal¹¿ni, „odpadania” niezapylo-

nych zal¹¿ków (100%) oraz przyspieszeniem

celularyzacji rozwijaj¹cej siê autonomicznie

endospermy. Zastosowanie egzogennych gi-

berelin nie niwelowa³o efektu hamowania

wzrostu i „odpadania” zal¹¿ków.

Ostatnio, badania embriologiczne niezapy-

lonych zal¹¿ków pomidora ( Lycopersicon escu-

lentum ) wykaza³y mo¿liwoœæ indukcji autono-

micznego bielma u tego gatunku in situ

(A DAMOWICZ i wspó³aut. 2000). W jednym, na

piêæ badanych genotypów, w pojedynczych

zal¹¿kach obserwowano rozwój wieloj¹drowej

struktury przypominaj¹cej endospermê, która

wype³nia³a wnêtrze woreczka zal¹¿kowego.

Podobnie, w badaniach nad komercyjnym

kultywarem Viola x wittrockiana (bratek

szwajcarski) , w niezap³odnionych megagame-

tofitach p¹ków o d³ugoœci 20 mm i p¹ków

pó³otwartych, obserwowano wieloj¹drowe

struktury, przypominaj¹ce endospermê j¹dro-

w¹, towarzysz¹ce niekiedy aparatowi jajowe-

mu, które wystêpowa³y odpowiednio z fre-

kwencj¹ 2,3% i 4,8% (O POKA 2001). Interpreta-

cja takich woreczków zal¹¿kowych jest bardzo

trudna bowiem nie mo¿na ustaliæ czy jest to

efekt podzia³u j¹dra wtórnego b¹dŸ j¹der bie-

gunowych, czy te¿ wynik nadliczbowych mitoz

prowadz¹cych do powstania wieloj¹drowych,

nienormalnych, dojrza³ych gametofitów.

U rozmna¿aj¹cych siê p³ciowo Angiosper-

mae bielmo powstaje w wyniku zap³odnienia

komórki centralnej i z regu³y jest triploidalne

(3n). Nieliczne gatunki charakteryzuje autono-

miczny rozwój bielma w warunkach in situ

(Tabela 1). Do takich gatunków nale¿¹ np. Ane-

mone ranunculoides i A. nemorosa . W pol-

skich populacjach osobniki rozmna¿aj¹ siê

g³ównie na drodze wegetatywnej przez k³¹cza.

Wykszta³cane nasiona nie s¹ zdolne do kie³ko-

wania, bowiem nie nastêpuje zap³odnienie ko-

mórki centralnej; bielmo rozwija siê autono-

micznie, co potwierdzi³a analiza kariologiczna

(T RELA 1963a, b; T RELA -S AWICKA 1974). Mo¿li-

woœæ autonomicznego rozwoju bielma u A. ne-

morosa ), we francuskich populacjach tego ga-

tunku, zosta³a opisana równie¿ przez

B ROULANDA (1968). Tylko w nielicznych mega-

gametofitach autonomiczny rozwój bielma na-

stêpowa³ na drodze normalnych podzia³ów mi-

totycznych. Z wiêksz¹ frekwencj¹ wystêpo-

wa³y zaburzone mitozy (T RELA 1963b), obja-

wiaj¹ce siê g³ównie zahamowaniem cytokine-

zy i tworzeniem j¹der restytucyjnych. Efektem

powy¿ej opisanych zaburzeñ, obserwowanych

g³ównie w centralnej czêœci endospermy, by³o

powstawanie j¹der na ró¿nym stopniu ploidal-

noœci (od 4n do 32n).

Uzyskane wyniki zosta³y potwierdzone

przez ekperymenty z kastrowanymi i izolowa-

nymi kwiatami, jak równie¿ poprzez zapylenia

w warunkach kontrolowanych. Obserwowano

pocz¹tkowy rozwój zygotycznego zarodka i au-

tonomicznej endospermy; w póŸniejszych eta-

pach nastêpowa³o zahamowanie rozwoju, co

prowadzi³o do wytworzenia nasion niezdol-

nych do kie³kowania.

Defet w rozwoju nasion osobników pol-

skich populacji A. nemorosa i A. ranunculo-

ides wydaje siê byæ efektem samoniezgodoœci;

³agiewki py³kowe nie dorastaj¹ do komórki

centralnej (T RELA -S AWICKA 1974). Osobniki

powsta³e drog¹ powielania przez k³¹cza stano-

wi¹ klon sk³adaj¹cy siê z roœlin identycznych

genetycznie. Zapylenia w obrêbie klonu pro-

wadzi³y do zaburzeñ w rozwoju nasion. Nato-

Bielmo — tkanka od¿ywiaj¹ca zarodek (II)

Tabela 1. Autonomiczne bielmo u rozmna¿aj¹cych siê p³ciowo przedstawicieli Angiospermae.

Takson

Literatura

In situ

Anemone nemorosa

T RELA (1963a, b); B ROULAND (1968)

Anemone ranunculoides

T RELA -S AWICKA (1974)

Juglans regia

T ADEO i wspó³aut. (1994)

Lycopersicon esculentum

A DAMOWICZ i wspó³aut. (2000)

Viola x wittrockiana

O POKA (2001)

Zea mays

L AIKOVA (1976)

In situ po zapyleniu napromieniowanym py³kiem

Actinidia deliciosa

M USIA£ iP RZYWARA (1998, 1999b)

Cucumis sativus

L E D EUFF iS AUTON (1994); F ARIS iN IEMIROWICZ -S ZCZYTT

(1999)

Malus spp.

J AMES i wspó³aut. (1985); N ICOLL i wspó³aut. (1987);

Z HANG iL ESPINASSE (1991)

Nicotiana sp.

M USIA£ iP RZYWARA (1999a)

Prunus domestica

P EIXE i wspó³aut. (2000)

Theobroma cacao

F ALQUE i wspó³aut. (1994)

In vitro

Allium cepa

M USIA£ i wspó³aut. (2001)

Brassica napus

C HMIELOWIEC i wspó³aut. (1997); R OJEK 2000; R OJEK i

wspó³aut. (2000)

Gossypium hirsutum

J ENSEN i wspó³aut. (1977)

Helianthus annuus

Y ANG i wspó³aut. (1986)

Helleborus niger

M ÓL i wspó³aut. (1995)

Hordeum vulgare

H UANG i wspó³aut. (1982)

Lupinus luteus

M ÓL i wspó³aut. (1995)

Melandrium album

M ÓL 1992; M ÓL i wspó³aut. (1995)

Oryza sativa

Z HOU iY ANG (1981)

Viola odorata

W IJOWSKA i wspó³aut. (1999a, b)

Viola riviniana

W IJOWSKA iK UTA (2000)

Viola silvestris

W IJOWSKA iK UTA (2000)

Viola x wittrockiana

S TÊPIEÑ -W IJOWSKA (2002)

Autonomiczny rozwój bielma in situ uro-

œlin rozmna¿aj¹cych siê p³ciowo jest zjawi-

skiem rzadkim i wymaga bardziej wnikliwych

badañ porównawczych rozwoju endospermy

in situ i in vitro u danego genotypu czy gatun-

ku. Nie mo¿na wykluczyæ, ¿e indukcja autono-

micznego rozwoju bielma ma zwi¹zek z pre-

dyspozycjami wielu roœlin okrytonasienncyh

do apomiksji, która w œwietle obecnych da-

nych wydaje siê byæ uwarunkowana ekspresj¹

pojedynczego (-czych) genu (-ów), zale¿n¹ od

czasu i stadium rozwojowego (K OLTUNOW i

wspó³aut. 1995, S AVIDAN 2001).

E L¯BIETA K UTA iJ OANNA R OJEK

INDUKCJA AUTONOMICZNEGO ROZOWJU

BIELMA W WARUNKACH EKSPERYMENTALNYCH

szych dawkach promieniowania nastêpuje

znaczne przyspieszenie degeneracji bielma i

zarodków, jak równie¿ ich rozwój odbiega od

normalnego. Mog¹ oczywiœcie byæ wyj¹tki i tak

np. u Actinidia deliciosa, chocia¿ wy¿sze daw-

ki napromieniowania (700 i 900 Gy) drastycz-

nie obni¿a³y liczbê nasion w zal¹¿niach, to przy

wiêkszej dawce napromieniowania (900Gy)

procent nasion zawieraj¹cych zarówno zaro-

dek, jak i endospermê by³ wy¿szy ni¿ przy daw-

ce 700 Gy (Ryc. 1). To zjawisko mo¿e byæ wyja-

Autonomiczny rozwój endospermy mo¿na

zaindukowaæ w warunkach eksperymental-

nych przez zapylenia z u¿yciem napromienio-

wanego py³ku oraz w kulturach in vitro nieza-

pylonych zal¹¿ków i zal¹¿ni (Tabela 1).

Autonomiczne rozwój bielma po zapyleniach in

situ napromieniowanym py³kiem

Zapylenia napromieniowanym py³kiem

(stosuje siê g³ównie promieniowanie gamma)

s¹ szeroko stosowan¹ technik¹ w indukcji in

situ haploidalnych roœlin. Ta metoda zosta³a

miêdzy innymi zastosowana u niektórych ro-

œlin u¿ytkowych (np. u jab³oni, ogórka, kiwi,

gruszy, ró¿y, melona), aczkolwiek procent uzy-

skiwanych haploidów by³ bardzo niski. Dopie-

ro zastosowanie kultury in vitro zapylonych

napromieniowanym py³kiem zal¹¿ków, nasion

lub zarodków znacznie polepszy³o uzyskiwane

wyniki.

Pomimo, ¿e napromieniowanego py³ku

u¿ywano od wielu lat (po raz pierwszy u¿yty w

1922 r. przez Blakeslee i wspó³pracowników),

niewiele jest badañ nad zap³odnieniem i wcze-

snymi etapami embriogenezy po zapyleniu na-

promieniowanym py³kiem. Takie badania em-

briologiczne zosta³y przeprowadzone nad Li-

lium, Melandrium, Tradescantia, Theobroma

cacao, Actinidia deliciosa, Pyrus, Prunus, Cu-

cumis (patrz M USIA£ iP RZYWARA 1998, F ARIS i

N IEMIROWICZ -S ZCZYTT 1999, P EIXE i wspó³aut.

2000).

Autonomiczny rozwój bielma uda³o siê za-

indukowaæ, w wyniku zapyleñ napromienio-

wanym py³kiem, u kilku taksonów wa¿nych

ekonomicznie: ogórka, tytoniu, kiwi, jab³oni,

œliwy, i kakaowca (Tabela 1).

Badania prowadzone nad zapyleniami na-

promieniowanym py³kiem wskazuj¹ na kilka

efektów tego procesu: (i) napromieniowanie

zaburza podwójne zap³odnienie, co jest

zwi¹zane g³ównie z wp³ywem promieniowa-

nia na wzrost ³agiewki py³kowej i na ¿ywot-

noœæ py³ku; (ii) rozwój zarodka i endospermy

jest zale¿ny od dawki napromieniowania; (iii) z

regu³y, przy stosowaniu wy¿szych dawek na-

promieniowania (200 i > Gy) rozwój zarodka i

bielma jest opóŸniony w stosunku do mate-

ria³u kontrolnego i do materia³u uzyskanego

po u¿yciu ni¿szych dawek napromieniowania

(<100 Gy), chocia¿ efekt zastosowanej dawki

jest zale¿ny od gatunku. Najczêœciej, przy wy¿-

Fig. 1. Autonomiczne komórkowe bielmo (ab) i

partogenetyczny zarodek (z) u Actinidia, 72 dni

po zapyleniu napromieniowanym py³kiem o

dawce promieniowania 9 kG; pow. 90 × (zdjêcie

udostêpnione przez dr. K. Musia³ i prof. L. Przy-

warê).

œnione przez tzw. efekt Hertwiga opisywany

przez kilku badaczy (patrz M USIA£ iP RZYWARA

1998). Natomiast u Nicotiana nie obserwowa-

no wyraŸnego wp³ywu dawki napromieniowa-

nia; efekt zapylenia napromieniowanym

py³kiem by³ podobny we wszystkich u¿ytych

Bielmo — tkanka od¿ywiaj¹ca zarodek (II)

krzy¿ówkach, a ró¿nice w indukcji autono-

micznego rozwoju endospermy i partenogene-

zy pod wp³ywem zastosowanych dawek by³y

znikome (M USIA£ iP RZYWARA 1999a); (iv)

opóŸniony rozwój bielma przejawia siê, w

przypadku bielma j¹drowego, brakiem zak³ad-

ania siê œcian komórkowych; bielmo kontrolne

po okreœlonym, dla danego gatunku, czasie po

zapyleniu osi¹ga stadium komórkowe, bielmo

powsta³e po zastosowaniu py³ku napromienio-

wanego pozostaje j¹drowe (P EIXE i wspó³aut.

2000); (v) w zale¿noœci od wysokoœci dawki na-

promieniowania, uzyskuje siê nasiona: normal-

ne, puste, z obecnoœci¹ wy³¹cznie endosper-

my, wy³¹cznie zarodka, b¹dŸ z zarodkiem i biel-

mem; (vi) z regu³y autonomiczne bielmo za-

wiera mniej substancji zapasowych w porów-

naniu z bielmem kontrolnym; iloœæ skrobi i lipi-

dów w diploidalnej endospermie komórkowej

jest porównywalna z iloœci¹ tych substancji w

komórce centralnej; (vii) status bielma (plo-

idalnoœæ) ustala siê na podstawie analizy kario-

logicznej, cytometrii przep³ywowej b¹dŸ me-

tod analizy morfometrycznej; (viii) j¹dra auto-

nomicznej endospermy mog¹ wykazywaæ zró¿-

nicowanie kariologiczne (powstaj¹ j¹dra poli-

ploidalne na skutek zaburzeñ podzia³ów mito-

tycznych, b¹dŸ procesów endoreplikacyj-

nych), co obserwowano u jab³oni (N ICOLL i

wspó³aut. 1987) lub nie wykazuj¹ takiej zmien-

noœci np. u kiwi (M USIA£ iP RZYWARA 1999b);

synchronizacja podzia³ów j¹der endospermy

mo¿e byæ wyraŸnie zak³ócona.

Wyniki te maj¹ du¿e znaczenie, bowiem

uzyskana na tej drodze endosperma mo¿e da-

waæ potencjalne mo¿liwoœci regeneracji ho-

mozygotycznych, diploidalnych roœlin, jak

równie¿ dla badañ genetycznych i programów

rozrodczych.

Eksperymenty z napromieniowanym

py³kiem mog¹ rzuciæ pewne œwiat³o na zjawi-

sko imprintingu genomowego charaktery-

stycznego dla rozwoju bielma u rozmna-

¿aj¹cych siê p³ciowo Angiospermae. W wyniku

zapyleñ napromieniowanym py³kiem mo¿na

uzyskaæ potomstwo, które jest dok³adn¹ re-

plik¹ roœliny matczynej. Podobnie jak w

przypadku autonomicznie rozwijaj¹cej siê en-

dospermy u apomiktów i niektórych taksonów

rozmna¿aj¹cych siê p³ciowo, prawid³owy sto-

sunek genomów rodzicielskich 2 (mateczne):1

(ojcowski), bior¹cych udzia³ w powstawaniu

bielma po zapyleniu napromieniowanym

py³kiem, jest zak³ócony; nie uczestniczy w ogó-

le genom ojcowski.

Autonomiczny rozwój bielma w kulturach niezapy-

lonych zal¹¿ków i zal¹¿ni

Kultury in vitro niezapylonych zal¹¿ków i

zal¹¿ni s¹ obecnie, obok androgenezy, jedn¹ z

najwa¿niejszych metod uzyskiwania haplo-

idów, organizmów modelowych do wielu ba-

dañ embriologicznych i genetycznych. W wyni-

ku indukcji gynogenezy in vitro dochodzi do

partenogenetycznego rozwoju komórki jajowej

i/lub rozwoju bez zap³odnienia innej komórki

woreczka zal¹¿kowego b¹dŸ bezpoœredniej em-

briogenezy z megaspor (M ÓL 1999). Sporadycz-

nie mo¿e równie¿ dochodziæ do stymulacji po-

dzia³ów j¹dra wtórnego komórki centralnej lub

j¹der biegunowych, co prowadzi do rozwoju

autonomicznej endospermy (M ÓL 1999). In-

dukcjê autonomicznego bielma uzyskano w kul-

turze niezap³odnionych zal¹¿ków b¹dŸ zal¹¿ni

kilkunastu taksonów (Tabela 1).

Czynniki wp³ywaj¹ce na indukcjê rozwo-

ju autonomicznego bielma w kulturach in

vitro. Podobnie jak w przypadku gynogenezy,

wiele czynników mo¿e wp³ywaæ na indukcjê

podzia³ów komórki centralnej. Wystêpowanie

autonomicznego rozwoju bielma w zal¹¿kach

hodowanych na po¿ywkach indukuj¹cych gy-

nonegezê sugeruje podobieñstwo dzia³aj¹cych

czynników na obydwa procesy.

Do najwa¿niejszych czynników wp³ywa-

j¹cych na efektywnoœæ kultur niezapylonych

zal¹¿ków i zal¹¿ni nale¿¹: genotyp roœliny do-

norowej, sk³ad po¿ywki, stadium rozwojowe

woreczka zal¹¿kowego, warunki kultury, ro-

dzaj eksplantatu, wiek oraz warunki wzrostu

roœliny matecznej (patrz M USIA£ iP RZYWARA

2001). Wp³yw poszczególnych czynników na

indukcjê gynogenezy zosta³ szeroko omówio-

ny w kilku pracach przegl¹dowych (Y ANG i

Z HOU 1982, B OHANEC 1994, M UKHAMBE-

T ZHANOV 1997, M ÓL 1999, M USIA£ iP RZYWARA

2001). W niniejszej pracy przedstawiony jest

wp³yw wy¿ej wymienionych czynników na in-

dukcjê rozwoju autonomicznego bielma.

Istnieje wyraŸna zale¿noœæ pomiêdzy geno-

typem roœliny donorowej a zdolnoœci¹ do roz-

woju in vitro .U Viola odorata , w kulturze nie-

zapylonych zal¹¿ków, zarówno frekwencja po-

wiêkszonych zal¹¿ków, jak i indukcja autono-

micznej endospermy zale¿a³a w g³ównej mie-

rze od genotypu roœliny matecznej (W IJOWSKA

i wspó³aut. 1999a, b). W genotypach G6 i G10

ponad 95% zal¹¿ków powiêksza³o siê, podczas

gdy w genotypie G9 tylko 47%. Najwy¿sz¹ fre-

kwencjê indukcji endospermy uzyskano w ge-

Bielmo - tkanka odżywiająca zarodek. II. Autonomiczny rozwój bielma u ro ślin okrytonasiennych (Angiospermae).pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: