1 11. Období dospělosti V období dospělosti je rostlinný jedinec schopen dát vznik další generaci. Specializované buňky dospělého sporofytu se redukčně dělí a vznikají megaspory a mikrospory. Jejich mitotickým dělením vznikají haploidní megagametofyty a mikrogametofyty. Dospělé gametofyty dají vznik gametám. Vývoj gametofytů prověří úplnost a kvalitu poloviny nukleárního genomu (angl. haplosufficiency). Haploidní gametofyty, u nichž došlo ke změnám pro určité podmínky výhodným, tyto nové vlastnosti gametami přenesou na další generaci. Naopak, gametofyty, s genetickou vadou, která závažně ohrozí schopnost existence, nepřežijí a nedají vznik gametám. Období dospělosti je ukončeno fází stárnutí neboli senescence a smrtí rostliny. 11.1. Kvetení - přechod do generativní fáze Po skončení juvenilní fáze je sporofyt schopen přejít do fáze generativní. Mikrospory a megaspory – počáteční buňky nové generace – vznikají v pletivech, která jsou součástí specializovaných struktur – květů. Vytvoření květů, i když jsou u určitých druhů rostlin některé jejich části silně redukované, je pro vznik spor a další generace (gametofytů) nezbytné. Nástup generativní fáze nemá charakter náhlého zvratu, ale uskuteční se během kratšího nebo delšího přechodného období, v němž se postupně cesta k tvorbě květů otvírá. Kvetení je komplexní proces řízený mnoha faktory (tzv. multifaktoriální regulace kvetení; komplex si lze představit jako trojrozměrnou spleť vzájemně propojených linií). Charakteristickou vlastností multifaktoriálního komplexu, která komplikuje studium přechodu do generativní fáze, je jeho proměnlivost v čase. U různých druhů, často však i u jednotek nižších jako jsou např. ekotypy, je komplex tvořen v podstatě stejnými faktory, je však komponován značně specificky a jednotlivé faktory mají v komplexu různou závažnost. Nutným předpokladem přechodu do generativní fáze je dosažení stavu endogenní způsobilosti neboli kompetence ke kvetení, zvaného též zralost ke kvetení. Stav kompetence ke kvetení se může na morfologické úrovni projevit např. vytvořením určitého počtu listů nebo dosažením určité velikosti vzrostného vrcholu. Na molekulárně biologické úrovni lze stav kompetence ke kvetení charakterizovat určitou množinou exprimovaných genů a určitou množinou genů, jejichž exprese byla umlčena. Z těchto množin však byla zatím identifikována pouze malá část. Zdá se, že dosažení kompetence ke kvetení spočívá především v odstranění inhibice některých regulačních cest.
Transcript
1
11. Období dospělosti
V období dospělosti je rostlinný jedinec schopen dát vznik další generaci. Specializované
buňky dospělého sporofytu se redukčně dělí a vznikají megaspory a mikrospory. Jejich
mitotickým dělením vznikají haploidní megagametofyty a mikrogametofyty. Dospělé
gametofyty dají vznik gametám. Vývoj gametofytů prověří úplnost a kvalitu poloviny
nukleárního genomu (angl. haplosufficiency). Haploidní gametofyty, u nichž došlo ke
změnám pro určité podmínky výhodným, tyto nové vlastnosti gametami přenesou na další
generaci. Naopak, gametofyty, s genetickou vadou, která závažně ohrozí schopnost existence,
nepřežijí a nedají vznik gametám.
Období dospělosti je ukončeno fází stárnutí neboli senescence a smrtí rostliny.
11.1. Kvetení - přechod do generativní fáze
Po skončení juvenilní fáze je sporofyt schopen přejít do fáze generativní. Mikrospory a
megaspory – počáteční buňky nové generace – vznikají v pletivech, která jsou součástí
specializovaných struktur – květů. Vytvoření květů, i když jsou u určitých druhů rostlin
některé jejich části silně redukované, je pro vznik spor a další generace (gametofytů)
nezbytné.
Nástup generativní fáze nemá charakter náhlého zvratu, ale uskuteční se během kratšího nebo
delšího přechodného období, v němž se postupně cesta k tvorbě květů otvírá.
Kvetení je komplexní proces řízený mnoha faktory (tzv. multifaktoriální regulace kvetení;
komplex si lze představit jako trojrozměrnou spleť vzájemně propojených linií).
Charakteristickou vlastností multifaktoriálního komplexu, která komplikuje studium
přechodu do generativní fáze, je jeho proměnlivost v čase. U různých druhů, často však i u
jednotek nižších jako jsou např. ekotypy, je komplex tvořen v podstatě stejnými faktory, je
však komponován značně specificky a jednotlivé faktory mají v komplexu různou
závažnost. Nutným předpokladem přechodu do generativní fáze je dosažení stavu endogenní
způsobilosti neboli kompetence ke kvetení, zvaného též zralost ke kvetení.
Stav kompetence ke kvetení se může na morfologické úrovni projevit např. vytvořením
určitého počtu listů nebo dosažením určité velikosti vzrostného vrcholu.
Na molekulárně biologické úrovni lze stav kompetence ke kvetení charakterizovat určitou
množinou exprimovaných genů a určitou množinou genů, jejichž exprese byla umlčena. Z
těchto množin však byla zatím identifikována pouze malá část. Zdá se, že dosažení
kompetence ke kvetení spočívá především v odstranění inhibice některých regulačních cest.
2
Dosažení kompetence ke kvetení často vyžaduje také působení vnějších faktorů. Nejčastěji
nástup kvetení ovlivňuje teplota a délka dne. Juvenilní rostliny jsou k působení těchto
vnějších indukčních stimulů necitlivé. Kvetení, které není indukováno identifikovaným
vnějším faktorem, se označuje jako spontánní neboli autonomní.
V komplikované spleti vztahů multifaktoriálního komplexu lze sledovat určité, do jisté úrovně
nezávislé regulační cesty neboli linie, vycházející z různých počátků, např. linii působení
nízkých teplot, délky dne, odstranění endogenní inhibice, endogenní aktivace. Tyto linie však
mezi sebou interagují a v konečném projevu se ovlivňují.
Během přechodného období se vegetativní stonkový meristém mění v intermediátní,
který vytvoří základ květenství. Květu dává vznik meristém květní neboli florální, jehož
nediferencované buňky získávají kompetenci ke kvetení. Pokud se květenství netvoří, vzniká
meristém florální přeměnou meristému vegetativního. Na jedné rostlině se mohou vyskytovat
současně meristémy vegetativní, intermediátní i florální. Přeměna meristémů podléhá v rámci
organizmu druhově specifické regulaci, která určuje charakter květenství. U květenství
uzavřeného, např. u merlíku (Chenopodium) se terminální meristém mění v květní a
terminální květ se tvoří jako první, axilární meristémy tvoří základ květenství. U květenství
otevřeného, např. u huseníčku (Arabidopsis), terminální meristém setrvává v intermediátním
stavu a tvoří základ květenství, květní meristémy se tvoří nejdříve v nejspodnějším
kompetentním nodu.
Reprogramování stonkového meristému, tvorba základů květenství a vývoj květů se projevuje
nejen v meristému, ale je provázeno charakteristickými změnami v celém organizmu.
V meristému dochází ke zvýšení respirace, ke zkrácení buněčného cyklu (obvykle nejdříve
u buněk v oblasti mezi centrální zónou a dřeňovým meristémem, později v centrální i
periferní zóně meristému) a ke změnám kondenzace chromatinu v určitých oblastech
chromozomů, které souvisejí se změnami genové exprese.
Se změnami v meristému souvisí také zvýšený transport asimilátů do této oblasti i změny
habitu rostlin. Tvorbu základů květenství provází prodlužování internodií, výrazné
zejména u dlouhodenních rostlin rozetového typu, zkrácení plastochronu, urychlené
zakládání a vývoj axilárních pupenů a redukovaný vývoj listů.
Květní části se zakládají obvykle ve čtyřech soustředných, distálně mírně posunutých,
kruzích nebo ve spirále s nízkým stoupáním. Jako první se ve vnějším kruhu zakládají lístky
kališní (sepaly), tvořící kalich, ve druhém lísky korunní (petaly), tvořící korunu, ve třetím
tyčinky, v centrální oblasti se zakládá několik nebo jen jeden plodolist neboli karpel, který
se vyvíjí v pestík (obr. 11-1.). Soubor tyčinek v květu se nazývá andreceum, soubor
3
plodolistů gyneceum. Jednotlivé květní části mohou být různě redukované, např. může chybět
kalich (např. u tulipánu - Tulipa), andreceum nebo gyneceum (chybí-li andrecem nebo
gyneceum jsou květy jednopohlavné).
▲Udává se, že 72% druhů rostlin má květy oboupohlavné, asi 4% druhů rostlin s květy jednopohlavnými jsou striktně dvoudomé (na jednom jedinci jsou pouze květy s tyčinkami nebo s pestíky), 7% druhů s jednopohlavnými květy má vždy oba typy na jednom jedinci – jsou jednodomé. U ostatních druhů je situace variabilní. U většiny druhů rostlin jsou květy potencionálně oboupohlavné a redukce tyčinek nebo pestíků nebo jejich přeměna v jinou strukturu (např. nektaria) nastává programovaně a druhově specificky v určitém stadiu jejich vývoje. Nejčastější z cest vzniku jednopohlavných květů je programovaná buněčná smrt. Jen zcela výjimečně je pohlaví určeno geneticky tzv. pohlavním chromozomem, např. u bažanky roční Mercurialis annua nebo konopí setého - Cannabis sativa)
Sporogeneze a vývoj gametofytů následuje zakládání květu obvykle bez dalších nutných
indukčních vlivů. U bylin následuje plynule, u dřevin (např. jabloní – Malus, slivoní –
Prunus, rybízu – Ribes) vstupují květní základy do dormance, přežívají zimní období
v pupenech (obr. 11-2.) a vývoj květů je dokončen v další sezóně. Za určitých nepříznivých
podmínek se vývoj květu může zastavit, v některých případech mohou z dělících se buněk
některých květních částí vzniknout sekundární vegetativní meristémy. Tento jev se nazývá
květní reverze neboli zvegetativnění. Dispozice k němu je dána geneticky - u některých
druhů k němu dochází častěji než u jiných. Také fáze vývoje, v níž může k reverzi ještě dojít,
je druhově specifická.
■Extrémní případ je popsán u Impatiens balsamina, která vyžaduje vhodnou délku dne nejen během květní indukce ale i po celou dobu tvorby květů. Je-li rostlina přenesena na nevhodnou délku dne (fotoperiodu), vývoj směřující ke vzniku megaspory se zastaví a tvoří se sekundární vegetativní meristémy. Vegetativní meristém může vzniknout ještě ze základů vajíčka.
Je důležité, aby přechod do generativní fáze nastal v době, kdy rostlina má pro vývoj
gametofytů, embryí, semen a plodů odpovídající kapacitu fotosynteticky aktivních orgánů a
dostatek vytvořených zásob (uložených např. v internodích nebo kořenech). To v podstatě
zajišťuje trvání a průběh juvenilní fáze. V oblastech se sezónním klimatem je však neméně
důležité, aby embrya a semena byla v době, kdy nastane klimaticky nepříznivé období, zralá a
schopná tyto podmínky přežít. K orientaci v sezónním klimatu slouží rostlinám dva
důležité adaptační mechanizmy – jarovizace a fotoperiodizmus.
11.1.1. Jarovizace
Jarovizace (angl. vernalisation) vznikla jako adaptace na nízké teploty v zimě a vyskytuje
se především u rostlin rozšířených v mírném pásu a oblastech přiléhajících směrem k
zemským pólům. Častá je především u rostlin dvouletých (např. blín, cukrová řepa) a ozimů
4
(např. žito, pšenice). Někdy se pro jarovizaci používá též označení termoindukce. Nízké
teploty (nikoli pod bodem mrazu), obvykle +5 až +10°C, musí působit několik týdnů na
aktivní meristémy (buňky se dělí). Působení nízkých teplot na dormantní meristémy nebo
dormantní embrya je neúčinné a jarovizační požadavek nesplní (může však vést k překonání
dormance; kap. 11.4.). Částečný pozitivní efekt jarovizace může být zrušen následným
působením zvýšených teplot (tzv. dejarovizace). Naopak, úplný jarovizační efekt nízkých
teplot není rušen vstupem do dormance. Jarovizace v přírodě zaručuje překonání zimy a
nástup kvetení na začátku sezóny (jaro) a jarovizační požadavek mohou splnit nízké teploty
napodzim i najaře. Doba, v níž nízké teploty působí, je často nástupu kvetení vzdálená několik
týdnů i měsíců. Působení dlouhého období nízkých teplot otvírá cestu ke kvetení.
Jarovizace patří mezi procesy, které vedou k překonání juvenilní fáze a k získání kompetence
ke kvetení.
V komplexu regulujícím kvetení může být jarovizační požadavek kvalitativní, což
znamená, že musí být splněn, nebo kvantitativní, což znamená, že jeho význam není pro
kvetení rozhodující, ale ovlivňuje kvantitativní parametry kvetení, tj. kvetení nastane v
ontogenezi dříve, vytvoří se větší počet květů na rostlině nebo se zkrátí počet dní od založení
květu do antheze (otevření květu). U některých rostlin může být jarovizační požadavek
nahrazen působením giberelinů. Jarovizace je často kombinovaná s indukčním požadavkem
vhodnou délkou dne - s fotoperiodizmem.
Jarovizace je založena geneticky (geny rodiny VRN, z angl. vernalisation) a působí v
regulační cestě, která je současně řízena faktory endogenními. Gen FLC (z angl.
FLOWERING LOCUS C) kóduje transkripční faktor, který negativně ovlivňuje nástup
kvetení. Exprese genu FLC je ovlivňována pozitivně i negativně produkty několika dalších
genů. Jarovizace ovlivňuje transkripci genu FLC negativně (snižuje ji) a částečně odstraňuje
aktivní blok kvetení. Mechanizmem působení je specifická demetylace DNA.
11.1.2. Fotoperiodizmus
U rostlin žijících v sezónním klimatu se vyvinul specifický adaptační mechanizmus, zvaný
fotoperiodizmus, který rostlině umožňuje řídit vývojové procesy během roku podle délky
dne. Délka dne neboli fotoperioda (tj. počet hodin světla za 24h) se na stanovišti mění každý
rok pravidelně. Velikost změny fotoperiody v určitém ročním období a maximální délka
fotoperiody rostou se vzdáleností stanoviště od rovníku, tj. závisí na zeměpisné šířce
(obr. 11-3.). Fotoperiodizmus u rostlin ovlivňuje nejen nástup kvetení ale i další vývojové
5
procesy, jako je např. dormance pupenů, tvorba zásobních orgánů (cibulí a hlíz) nebo opad
listů.
■Vliv délky dne na kvetení byl studován na začátku 20. stol. genetiky W. W. Garnerem a H. A. Allardem. Objektem jejich studia se stali i živočichové a na začátku 20. let publikovali dvě základní práce, v nichž popsali fotoperiodizmus jako adaptaci na sezónní klima, v přírodě obecnou, vyskytující se u rostlin, hmyzu i obratlovců.
Fotoperioda - počet hodin světla za 24h - udává tedy sekundárně také počet hodin tmy. Pro
fotoperiodickou reakci (odpověď) je rozhodující fotoperioda kritická. Kritická fotoperioda
je fotoperioda mezní, hraniční, která navodí vývojovou změnu. Hodnota kritické
fotoperiody se vztahuje vždy jen k určité vývojové změně, např. k navození kvetení, a
k určitému druhu rostliny nebo nižší jednotce, např. populaci, kterou lze označit za ekotyp.
Fotoperiodické reakce jsou v zásadě dvojího druhu – krátkodenní a dlouhodenní. Označení
krátký nebo dlouhý den se vždy vztahuje jen ke kritické fotoperiodě. Krátkodenní reakce
nastane, je-li délka aktuální fotoperiody kratší než kritická. Dlouhodenní reakce je
navozena fotoperiodou delší než je fotoperioda kritická.
Fotoperiodizmus byl objeven při studiu kvetení a charakteristika, tj. rostlina krátkodenní
(SDP; z angl. short day plant) nebo dlouhodenní (LDP; z angl. long day plant) se konvenčně
vztahuje ke kvetení. Brambor (Solanum tuberosum) se označuje jako rostlina dlouhodenní,
protože nástup kvetení je řízen dlouhodenní reakcí. Tvorba stolonů a hlíz je naopak
indukována reakcí krátkodenní. Pokud se jedná o jinou vývojovou změnu, než je kvetení, je
nutno ji definovat.
Rostliny, u nichž kvetení není řízeno délkou fotoperiody, se označují jako fotoperiodicky
neutrální (DNP; z angl. day neutral plants). Patří k nim např. bavlník (Gossypium hirsutum)
a mrkev (Daucus carota). Krátkým dnem je řízeno kvetení např. u řepeně (Xanthium
Fotoperiodizmus je geneticky založen, u různých druhů rostlin různým počten genů,
dominantně i recesivně. Úsilí šlechtitelů často směřuje k získání odrůd užitkových rostlin
(např. čiroku nebo salátu) s fotoperiodickým charakterem vhodným pro určité geografické
oblasti, nebo pro produkci okrasných květin v určité roční době.
Ve fotoperiodických procesech je nezbytné nejen rozlišit světlo a tmu, ale také registrovat
délku jejich trvání. Informaci o světelném signálu zprostředkují především fytochromy, u
dlouhodenních rostlin se významněji podílí i kryptochrom. Tyto senzory předávají informaci
mechanizmu, který u rostlin měří čas – vnitřnímu oscilátoru. Podstata měření času u rostlin
není zatím uspokojivě objasněna. Jisté je, že měření času je nezávislé na teplotě a že u
rostlin senzory nejsou integrálními součástmi časoměrného mechanizmu. Nevysvětlené je
zatím také porovnání aktuální fotoperiody s fotoperiodou kritickou. Je však jisté, že
významnou úlohu v tomto procesu hraje endogenní rytmicita rostlin. Předpokládá se, že
indukční fotoperiody navozují synchronizaci určitých procesů v listech, která je nezbytná pro
tvorbu fotoperiodického květního stimulu, nebo synchronizaci procesů mezi listy a
meristémy.
11.1.2.1. Rytmicita
▲Rytmicita je obecná vlastnost rostlin i živočichů. Jejím projevem je pravidelné kolísání – oscilace – fyziologických a biochemických procesů a z toho vyplývajících pravidelně se opakujících jevů, např. pravidelné změny postavení listů, syntéza některých proteinů – proteiny pigmentproteinových komplexů pro fotosystémy, nitrátreduktáza. Perioda je základní termín pro charakterizování průběhu rytmů. Je to nejkratší doba, za kterou se oscilující systém dostane do stejné fáze (libovolného bodu rytmu), tj. doba jedné oscilace. Frekvence je počet oscilací, které proběhnou za jednotku času. Amplituda je rozdíl mezi průměrnou a maximální hodnotou, které oscilující veličina dosahuje. Rozsah rytmu (anglicky range) je rozdíl mezi minimální a maximální hodnotou, kterou oscilující veličina dosahuje. Rytmy jsou obecně klasifikovány podle délky periody jako ultradiální (s periodou kratší než 20h;), cirkadiální (s periodou v rozmezí 20 až 28h), semilunární (perioda asi 14 dní), lunární (perioda 28 dní) a annulární neboli roční (perioda jeden rok). U jednoho organizmu existuje současně více rytmů s různou periodou. Rytmické projevy mohou odrážet pravidelné změny vnějšího prostředí, tj. působení vnějšího oscilátoru. Takové rytmy mizí okamžitě po přenesení oscilujícího systému do konstantních podmínek (mizí jen rytmus, nikoli jev sám), označují se jako pasivní a rytmicita jako exogenní. Opakem pasivních rytmů jsou rytmy aktivní neboli autonomní, které probíhají i v konstantních podmínkách bez působení vnějšího oscilátoru. Vnější periodický signál je organizmem předvídán (anticipován), probíhají spontánní, vnitřně regulované oscilace – endogenní rytmy (endogenní oscilace). Oscilující systém se vrací do stejného stavu po uplynutí přirozené, spontánní periody (FRP; z angl. free running period), která se obvykle poněkud liší od periody vnějšího oscilátoru. U většiny endogenních rytmů dochází za konstantních podmínek dříve nebo později k jeho vyhasnutí (amplituda se pomalu snižuje). V přirozených podmínkách jsou endogenní rytmy modifikovány
8
působením vnějšího oscilátoru, dochází k vazbě (strhávání; anglicky entrainment), která synchronizuje vnější a vnitřní oscilace. Pro řízení vývoje rostlin jsou významné především endogenní rytmy cirkadiální. U rostlin se pravidelně střídají subjektivní endogenní fotofilní (světelná) a skotofilní (temnostní) fáze. Vnitřní oscilátor přijímá signál z vnějšího prostředí a endogenní rytmy podle vnějších podmínek synchronizuje. Signál je zprostředkován fytochromy i kryptochromy. Signál „světlo“ ve fotofilní fázi a signál „tma“ ve skotofilní fázi je potvrzením synchronizace organizmu s vnějším prostředím. Mezi signálem světlo a skotofilní fází endogenního rytmu dochází ke specifickým interakcím. Jejich výsledek záleží na síle signálu a době skotofilní fáze, v níž signál působí. Dostatečně silný signál (několik hodin světla) může způsobit posun fáze rytmu, slabý signál (do 20 minut) může ovlivnit např. jen výšku amplitudy v nejbližším maximu. U krátkodenních rostlin může světelný signál v citlivém období skotofilní fáze zrušit tvorbu fotoperiodického květního stimulu a inhibovat kvetení. U dlouhodenních rostlin může takový, avšak dostatečně silný, signál kvetení indukovat (obr. 11-5.).
11.1.3. Geny řídící přechod do generativní fáze ▲Vývojové procesy v období přechodu do generativní fáze byly a nadále jsou intenzivně studovány analýzou mutantů především u Arabidopsis. Následující text má ilustrovat komplexnost regulace přechodu do generativní fáze. Vegetativní fáze a její trvání je geneticky dáno (jistě mimo jiné) funkcí genu EMF (z angl. EMBRYONIC FLOWER). Je-li tento gen u Arabidopsis nefunkční, vegetativní fáze ontogeneze může zcela chybět a embryonální stonkový meristém se mění přímo ve florální. Meristém nedává vznik listovým primordiím, květy jsou založeny už v semeni. Produkt genu EMF blokuje (negativně reguluje) přechod do generativní fáze a v meristémech kompetentních ke kvetení se gen EMF neexprimuje. Arabidopsis je kvantitativně dlouhodenní rostlina s otevřeným typem květenství. Ve vegetativní fázi tvoří přízemní růžici listů, v přechodné fázi tvoří základ otevřeného květenství. Činností apikálního meristému se stonek výrazně prodlužuje, listy jsou redukovány v listeny, axilární meristémy hlavního stonku se zakládají urychleně a dávají vznik postranním stonkům. V přechodném stavu meristému je nezbytná exprese genu TFL (z angl. TERMINAL FLOWER), který kóduje heterochromatinový protein (HP1). Exprese genu TFL je funkcí EMF negativně řízena. TFL expresi EMF zpětně neovlivňuje, negativně však ovlivňuje expresi genů, které určují meristém jako květní. Je-li gen TFL nefunkční (mutantní), mění se apikální stonkový meristém v květní, tvoří se terminální květ a základ květenství je silně redukovaný. Meristém je jako květní určen funkcí genu LFY (z angl. LEAFY), který kóduje transkripční faktor. Gen LFY se exprimuje v celém meristému po celou dobu tvorby květu. Ve funkční hierarchii stojí nad geny určujícími typ květní části, která se bude v určitém kruhu tvořit. Transkripční faktor LFY je pro jejich expresi nezbytný, charakter květních částí však neurčuje. Pro určení květních částí byl navržen model tří překrývajících se polí, tzv. model ABC (obr. 11-6.). Kalich a koruna - části tvořené v 1. a 2. kruhu - jsou určeny geny skupiny A, koruna a tyčinky - části 2. a 3. kruhu - jsou určeny skupinou genů B, tyčinky a pestík - části 3. a 4. kruhu - funkcí genů skupiny C. Gen s funkcí A je gen AP1 (z angl. APETALA 1), geny s funkcí B jsou geny AP3 (z angl. APETALA3) a PI (z angl. PISTILLATA) - produkty jejich genů tvoří heterodimer AP3/PI. Funkci genu C má gen AG (z angl. AGAMOUS). Tyto geny samozřejmě nejsou jediné, model je průběžně doplňován o další geny a revidován. Gen AP1 se exprimuje v prvním a druhém kruhu (funkce A) a určuje tvorbu kalichu (obr. 11-7.). Koruna je určena geny skupiny A a B, tj. AP1 a AP3/PI, pro tvorbu tyčinek jsou nezbytné funkce genů AP3/PI a AG. Exprese genu AG je nezbytná pro tvorbu pestíku. Geny AP1, AP3, PI a AG kódují transkripční faktory, které mají doménu, zvanou MADS box. Doména MADS je silně konzervovaná, obecně se vyskytující sekvence 58 aminokyselin (název MADS je odvozen z názvů jiných známých genů, kde se také vyskytuje: M = minichromosome
9
maintenance 1 u kvasinek, A = AG u Arabidopsis, D = DEFICIENS u Antirhinum, S = SRF – serum response factor u člověka). Tato sekvence dává proteinům schopnost vázat se na DNA. Geny s doménou MADS mají u rostlin ještě další charakteristickou doménu, značenou K (také K box). K box je doména tvořena 65 aminokyselinami a dává těmto transkripčním faktorům schopnost vytvářet interakce s dalšími proteiny. Geny AP1, AP3, AG a PI jsou na základě funkční podobnosti s homeotickými geny, původně objevenými u octomilky (kap. 8.2.5.), charakterizovány jako geny homeotické. Je-li některý z homeotických genů nefunkční, projeví se na jeho místě funkce jiného genu s homeodoménou. Homeotické geny regulující kvetení u rostlin mají stejný funkční projev jako u Drosophila, exprimují se na místě nefunkčního genu. Např. mutant ag tvoří korunu místo tyčinek a pestíku a lze předpokládat, že funkční gen AG brání ve 3.a 4. kruhu expresi genů s funkcí A. Tato skupina rostlinných genů však nemá charakteristickou homeodoménu (tj. charakteristickou sekvenci 60 aminokyselin; kap. 8.2.5.1.). Mimo tyto geny byly identifikovány geny další, jejichž funkce je pro vznik květu nezbytná, např. gen AP2 (z angl. APETALA2), který se exprimuje v celém květním meristému po celou dobu, exprimuje se však také v některých pletivech vegetativních a embryonálních. Gen LFY kóduje transkripční faktor, který se váže na promotorovou oblast genu AP1 a na zesilovač (enhancer) genu AG, který leží v jeho prvním intronu. Jakým způsobem interaguje s dalšími geny, které stojí v hierarchii níže, není zatím jasné. Patrně jsou k tomu třeba další regulační proteiny, kódované např. genem SUP (z angl. SUPERMAN) nebo UFO (z angl. UNUSUAL FLORAL ORGANS). Gen SUP kóduje transkripční faktor (se zinkovými prsty a leucinovým zipem), který inhibuje projev AP3 a PI ve 4. kruhu (je-li SUP nefunkční, tvoří se tyčinky i ve 4. kruhu místo karpelů). Naopak, specifickou expresi genu AP3 (tvorbu tyčinek) ve 3. kruhu, zajišťuje funkce genu UFO. Gen UFO kóduje regulační protein, který se váže na transkripční faktor blokující transkripci genu AP3, inaktivuje ho a určuje k degradaci. UFO tak nepřímo pozitivně ovlivňuje expresi genu AP3 ve 3. kruhu. Počet vytvořených tyčinek a plodolistů je řízen dalšími geny, např. FON (z angl. FLOWER ORGAN NUMBER). Zmíněné geny patří k regulačním cestám (liniím), které jsou považovány za endogenní. Působení nízkých teplot bylo připomenuto v kap. 11.1.1.). Fotoperiodizmus působí v dalších regulačních cestách, které se s endogenními propojují. Na základě mutantů, u nichž byla postižena fotoperiodická reakce (mutanty kvetly dříve nebo později), bylo zatím identifikováno asi 80 genů. Je opodstatněný předpoklad, že některé působí v liniích směřujících k odstranění represe, působené např. funkcí genu EMF, jiné směřují k aktivaci genů, které ovlivňují přechod do generativní fáze pozitivně, např. LFY. V regulační cestě ovlivněné fotoperiodizmem, působí např. gen CO (z angl. CONSTANS), který kóduje transkripční faktor se zinkovými prsty. Jeho exprese je pozitivně řízena dlouhým dnem, u Arabidopsis informaci zprostředkuje kryptochrom 2 a jeho signální cesta.
11.2. Tvorba spor, gametofytů a diferenciace gamet
Semenné rostliny tvoří dva typy funkčně určených spor - mikrospory a megaspory, které
vznikají v různých částech květu.
11.2.1. Meióza ▼Meióza je dělení jader, při němž dochází k redukci počtu chromozomů na polovinu. Buňky, které se dělí meioticky se nazývají meiocyty. Meiocyty netvoří preprofázní pás mikrotubulů (kap. 9.1.2.). V interfázi před meiozou se chromozomy normálně zreplikují, každý chromozom je tvořen dvěma chromatidami. Na začátku první fáze meiozy - meioza I - v profázi I homologní chromozomy vytvoří páry a uspořádají se v ekvatoriální rovině dělícího vřeténka. V anafázi I se páry rozejdou, k pólům směřuje jeden chromozom z každého páru. Počet chromozomů v jednom jádru je tak redukován na polovinu. (V mitóze se chromozomy nepárují a oddělují se chromatidy, v meióze I se
10
rozcházejí chromozomy.). Chromatidy zůstávají spojeny. V telofázi I se začínají tvořit obaly dceřinných jader. Cytokineze a interfáze obvykle chybí, replikace neproběhne. Následuje druhá fáze meiozy - meioza II, která průběhem připomíná mitózu. V metafázi II se objevuje dělicí vřeténko, chromozomy se uspořádávají v ekvatoriální rovině, chromatidy i centromery se štěpí a chromatidy se rozcházejí k pólům dělicího vřeténka jako dceřinné chomozomy. V telofázi se tvoří obaly dceřinných jader. Pokud dojde po první meiózi k tvorbě přepážky, ozačuje se cytokineze jako sukcesivní. Pokud k tvorbě přepážky nedojde, tvoří se přepážky mezi čtyřmi jádry po meiózi II centripetálně a cytokineze se označuje jako simultánní.
11.2.2. Mikrosporogeneze a vývoj samčího gametofytu
Mikrospory vznikají v prašnících tyčinek (dospělá tyčinka je tvořena prašníkem a nitkou).
Tyčinky se zakládají ve 3. kruhu, bez ohledu na to, zda jsou přítomny části 1. a 2. kruhu
(mechanické odstranění – ablace – kalichu a koruny nevede ke změně programu 3. kruhu).
Vývoj tyčinky se obvykle dělí do dvou fází, v první fázi se tvoří základ tyčinky, diferencují se
vnitřní pletiva a vytvoří se mikrospory - fáze histodiferenciační. V druhé fázi – dehiscentní
– vznikají pylová zrna, prodlužuje se nitka (filament), dochází k degeneraci určitých pletiv
sporofytu, k dehiscenci (otevření) prašníku a uvolnění pylu (obr. 11-8.). Přechod mezi fázemi
je plynulý, v některých procesech se fáze překrývají, hranice je konvenční.
▲Primordium tyčinky má nejprve tvar oblého hrbolku elipsovitého průřezu a vzniká aktivním dělením buněk ve vrstvách L1, L2 i L3. V dalším vývoji vrstva L1 dává vznik pokožce a stomiu (buňky stomia jsou specializové buňky pokožky prašníků, které v čase zralosti pylu podléhají programované buněčné smrti, umožní otevření prašných váčků a uvolnění pylu). Z buněk vrstvy L2 vznikají buňky, které tvoří pletivo, zvané archespor. Buňky archesporu se záhy diferencují v buňky sporogenní a buňky podpokožkových vrstev prašníku (tzv. buňky parietální), včetně buněk tzv. vnějšího tapeta (tapetum je vrstva buněk, vystýlající prašná pouzdra, vyživuje sporogenní buňky a později mikrospory, podléhá programované buněčné smrti). Sporogenní buňky se dělí a dávají vznik mateřským buňkám mikrospor. Z vrstvy L3 vzniká pletivo spojující prašná pouzdra (mikrosporangia, původně čtyři prašná pouzdra splývají později ve dva prašné váčky), tzv. spojidlo neboli konektiv, vnitřní tapetum a centrálně uložený cévní svazek. Meiocyty mikrospor – mateřské buňky mikrospor – přeruší cytoplazmatické spojení s tapetem (zruší plazmodezmy), začnou naopak rozšiřovat plazmodezmy mezi sebou, primární buněčné stěny začnou mizet a vytvoří se struktura podobná syncytiu. V plazmalemě meiocytů se syntetizuje kalóza (kap. 3.3.4.), která obalí protoplasty, cytoplazmatické propojení protoplastů však zůstává do jisté míry zachováno. Meióza je v prašném pouzdru synchronní nebo začne na jednom jeho konci a šíří se jedním směrem jako vlna. Meiózou vznikají z jednoho mikrosporocytu čtyři mikrospory. Po cytokinezi se v tapetu začne tvořit kaláza, enzym, který hydrolyzuje kalózu. Tapetum se rozpouští, látky uložené v jeho buňkách se uvolňují a jsou využity k růstu mikrospor. Mikrospory se zvětšují a tvoří vnější silně rezistentní obal – exinu. Vnitřní obal mikrospory tvoří primární buněčná stěna (intina), uložení celulózových mikrofibrilovlivňuje vznik a polohu pórů neboli apertur a charakter exiny. Póry jsou malé oblasti nekryté exinou. Zůstávají uzavřeny kalózou, při klíčení pylu tudy pylová láčka opouští pevný vnější obal. Poloha pórů je primárně dána upořádáním membrány endoplazmatického retikula, která v místě budoucíhopóru tvoří výrazný výběžek k plazmalemě. Mikrospora má jeden až tři póry, absence pórůmůže být příčinou sterility pylu. Exina je výrazně a druhově charakteristicky strukturovaná (obr. 11-9.), druhově specifické jsou i látky v ní obsažené (proteiny, lipidy, flavonoly). Charakteristickou složkou exiny je sporopolenin, extrémně stálý polymer fenolických látek. Exina ochraňuje pylové zrno před vlivy vnějšího prostředí
11
po jeho uvolnění z prašných váčků a během transportu (často kilometry dlouhém) a hraje důležitou roli při interakci se specializovaným pletivem pestíku - s bliznou.
Prvním dělením mikrospory vzniká samčí gametofyt – pylové zrno. Dělení je mitotické,
inekvální a velmi charakteristické. Jádro mikrospóry leží v blízkosti buněčné stěny, vřeténko
je orientováno radiálně. Z jádra, které po mitóze leží blíže buněčné stěny, vzniká malá
čočkovitá buňka generativní s minimem plastidů a mitochondrií. Jádro buněčné stěně
vzdálenější patří velké buňce vegetativní, která získá většinu cytoplazmy mikrospory. Buňka
generativní, oddělená jen membránou nebo obalená extrémně tenkou buněčnou stěnou,
opouští svou laterální pozici, migruje do centra a nakonec leží uvnitř buňky vegetativní
(obr.11-10.). Buňka vegetativní vstupuje do fáze G0, buňka generativní do fáze G1, S a
zastaví se ve fázi G2. Dříve nebo později se generativní buňka dělí ve dvě samčí gamety –
buňky spermatické. Dělení generativní buňky proběhne ještě v prašníku (asi u 30% čeledí,
např. Poaceae, Brassicaceae; pyl se ozačuje jako tříbuněčný) nebo až po klíčení v pylové
láčce (většina čeledí, např. Solanaceae, Liliaceae; pyl dvoubuněčný; asi 10 rodů tvoří oba
typy pylu). Před uvolněním pylu z prašníku dochází k jeho částečné dehydrataci.
S přeměnou mikrospory v pylové zrno jsou korelovány vývojové procesy sporofytických
pletiv tyčinky, charakteristické pro dehiscentní fázi vývoje tyčinky. Po skončení meiozy
začíná postupná organizovaná destrukce určitých typů buněk prašníku, vedoucí k jeho
konečnému otevření. Tyto procesy, často souborně označované jako stárnutí neboli
senescence prašníku, jsou zahájeny degenerací tapeta. V podpokožkové vrstvě buněk
prašníku (endotheciu) se tvoří lištovité ztlustliny, mizí přepážky mezi prašnými pouzdry, která
splývají v prašné váčky. V té době obvykle intenzivně roste nitka, jejíž buňky se dělí a
prodlužují. Během zrání prašníku dochází k dehydrataci buněk stěny prašníku, vyztužení
podpokožkových buněk klade odpor zmenšování objemu a vzniká pnutí podporující otevření
prašných váčků. Konečná fáze vývoje prašníku je degenerace stomia. Senescenci prašníku je
nutno přikládat stejnou důležitost jako vývoji pylu. Samčí sterilita může být způsobena
poruchami vývoje mikrospory a pylového zrna (samčího gametofytu), stejně jako poruchami
degenerace tapeta nebo dehiscence (otevření) prašníku.
▲Produkty jednoho meiocytu spolu často zůstávají spojeny v tzv. pylové tetrádě. U některých rostlin pyl tvoří různě velké konglomeráty, někdy k sobě lnou všechna pylová zrna jednoho prašného pouzdra nebo váčku (např. pollinia neboli brylky u čeledi Orchidaceae, polyady u Fabaceae, massula u Asklepiadaceae). Tyto vlastnosti jsou druhově specifické a souvisejí se způsobem přenášení pylu.
Údaje o počtu genů, které se exprimují během vývoje prašníku a pylu, se značně liší. Některé
geny zajišťují specifické funkce prašníků a pylu, jiné mají své homology v jiných pletivech
12
sporofytu (např. pylové cytoskeletální proteiny). V pylu se exprimují např. geny kódující
specifické lyázy pektinů, nutné pro hydrataci pylu na blizně a růst láčky, polygalakturonázy,
(protein, který katalyzuje výměnu ADP za ATP na G-aktinu, kap. 9.1.2.). Expresi genů specifických
pro prašníky zajišťuje charakteristická sekvence DNA v jejich promotoru. Mnohé z látek,
vyskytujících se v pylu, vyvolávají u člověka alergické reakce (např. expanziny, profilin).
11.2.2.1. Cytoplazmatická samčí sterilita ▲Cytoplazmatická samčí sterilita (CMS; z angl. cytoplasmic male sterility) je tvorba nefunkčního pylu, působená abnormálním proteinem, který se specificky projevuje v mitochondriích prašníků. Cytoplazmatická samčí sterilita je přenášena mitochondriemi mateřské rostliny. Zatím je známo asi 150 druhů rostlin, u nichž se vyskytuje. Mezi nimi jsou např. kukuřice, slunečnice, rýže, petunie. Jednotlivé druhy rostlin mají různé proteiny a mechanizmy působení, u jednoho druhu může existovat několik různých typů CMS. Tvorba abnormálních proteinů je výsledkem mutace, vyvolané napadením houbou (u kukuřice Bipolaris maydis), postihuje všechny mitochondrie a projevuje se poškozením jejich funkce. U kukuřice je abnormální mitochondriální protein značen URF13 (13 kDa; u petunie PCF25 velikost 25 kDa), působí ztrátu selektivní permeability vnitřní membrány. Obsah URF13 je snižován působením dvou proteinů, kódovaných v jádře – Rf1 a Rf2 (z angl. restorers of fertility; funkčně specifické jen k URF13). Cytoplazmatická samčí sterilita vzniká patrně jako následek toho, že poškozené mitochondrie nejsou schopny zajistit potřebu energie, která je v období vzniku mikrospor a pylu výrazně zvýšena. Zvýšenou potřebu funkce mitochondrií dokládá skutečnost, že v mikrosporocytech se před meiózou zvyšuje počet mitochondrií 20-krát a v tapetu 40-krát. Tapetum u rostlin postižených mutací degeneruje předčasně a prašníky předčasně vstupují do senescence.
11.2.3. Megasporogeneze a vývoj samičího gametofytu
Megaspory vznikají ve vajíčkách, specializovaných strukturách plodolistů. Plodolisty neboli
karpely jsou charakteristické struktury krytosemenných rostlin. Zachovávají si značný
stupeň listového charakteru (epidermis, mezofyl), zakládají se ve vrstvách L1, L2 a hluboko
ve vrstvách L3. Srůstají a tvoří pestík, který má tři základní části – bazální, která tvoří
semeník, střední, která tvoří čnělku, a apikální, tvořící bliznu. Soubor karpelů v květu se
nazývá gyneceum. V jednotlivých taxonech je podoba gynecea velmi různá, společnou
vlastností je, že v květu zaujímá centrální pozici (4. kruh). Gyneceum může být tvořeno
jedním nebo několika karpely.
▼Plodolisty se mohou zakládat jako jednotlivé struktury a po celou vývoje si individualitu zachovávat (srůstají jen okraje jednoho vlastního plodolistu). Takové gyneceum se označuje jako apokarpní. Základy plodolistů mohou srůstat se základy plodolistů sousedních a vytvořit nakonec kompaktní strukturu. Takové gyneceum se označuje jako coenokarpní a srůstání (též fúze) ontogenetické neboli postgenitální. U tohoto typu srůstání dochází v místě spojení plodolistů k přeměně – rediferenciaci – epidermálních buněk v buňky parenchymatické. Plodolisty mohou srůstat jen v oblasti semeníku (čnělky a blizny zůstávají volné) nebo částečně až úplně fúzují i čnělky a blizny. Při srůstání se mohou okraje plodolistů stáčet ke středu (plodolisty srůstají na okrajích i přiléhající plochou ventrální pokožky) a tvořit přepážky (septa) v semeníku. U některých čeledí se dokonce
13
gyneceum původně z více plodolistů zakládá jako jedna struktura. Takové srůstání se nazývá fylogenetické neboli kongenitální. ▲Rediferenciace a srůstání epidermálních buněk je řízeno expresí genu FDH (z angl. FIDDLEHEAD), který byl identifikován díky stejnojmennému mutantu u Arabidopsis. Gen FDH je exprimován v epidermálních buňkách a vymezuje oblast, kde k rediferenciaci a srůstání nemůže dojít. U mutantu fdh dochází v květu ke srůstání přilehlých květních částí všech kruhů a k redukci květenství. Epidermální buňky mutantu podporují hydrataci a klíčení pylu, avšak pouze kompatibilního. Je změněna permeabilita buněčné stěny a charakter lipidových složek kutikuly. Protein FDH ovlivňuje syntézu lipidů s dlouhými řetězci mastných kyselin.
Zprvu má pestík obvykle tvar dutého válce (event. rozděleného septy na dutin několik), pak se
začínají apikální buňky především na dorzální straně periklinálně dělit a růst do šířky a
semeník se uzavírá. Čnělky jsou různého, druhově specifické tvaru. Horní oblast čnělky se
diferencuje v bliznu. Blizny a čnělky jsou pletiva krátkého trvání, stejně jako koruna a kalich.
Semeník se dále vyvíjí v plod.
Blizna je tvořena malým množstvím parenchymu nebo aerenchymu, který je kryt
tenkostěnnou epidermis, jejíž buňky mají výrazné papily nebo tvoří různě dlouhé trichomy.
Blizny jsou druhově charakteristické struktury přizpůsobené zachycení vhodného pylu. Blizny
některých druhů jsou tzv. suché, buňky jiných druhů vylučují v době vhodné k opylení
tekutinu bohatou na sacharidy a aminokyseliny, někdy i na oleje a těkavé látky.
Čnělky mají jednoduchou vnitřní stavbu. Na povrchu čnělky je epidermis ventrální strany
plodolistu, vnitřní pletivo čnělky je odvozeno z dorzální epidermis a subepidermálních vrstev,
v základním pletivu mohou být přítomna i pletiva vodivá. Čnělka je plná nebo má uprostřed
dutinu nebo kanálek (časté u jednoděložných, např. u čeledi Liliaceae). Parenchym centrální
oblasti, zvaný vodící pletivo (angl. transmitting tissue), má měkké a vláčné stěny, buňky jsou
uspořádány v řadách paralelních s osou čnělky a jsou propojeny četnými plazmodezmy.
Buňky vodícího pletiva vylučují do mezibuněčných prostorů sekret zvaný stylární matrix a
vyživují pylovou láčku. Jsou však také schopny rozeznat kvalitu pylu a růst láček
inkompatibilního pylu zastavit.
Semeník je obvykle masivní, vnější epidermis má často funkční stomata, pod epidermis bývá
hypodermis. Na vnitřní straně semeníku je pletivo, zvané placenta neboli semenice, v němž
se zakládají vajíčka - megasporangia. Uložení placenty uvnitř semeníku je druhově
specifické (obr. 11-11.), buňky placenty se obvykle od sousedních buněk výrazně anatomicky
neliší. Druhově charakteristický je také počet vajíček (jedno, např. v řádu Poales, až několik
set v čeledi Orchidaceae) a uspořádání jeho pletiv. Vajíčko je tvořeno základním pletivem
zvaným nucellus, obaly vajíčka – integumenty a poutkem (lat. funiculus). Epidermis vajíček
14
má často stomata, vždy je kryta kutikulou. Vodivé pletivo dosahuje do poutka, u některých
rostlin do integumentu, nevstupuje do nucellu.Vajíčko se v dalším vývoji mění v semeno.
▲Primordium vajíčka má podobu prstovitého výrůstku a vzniká aktivním periklinálním dělením buněk placenty ve vrstvě L2 a L3, doprovázeným odpovídajícím antiklinálním dělením buněk vrstvy L1. Z apikální části primordia vzniká nucellus, z bazální části poutko (obr. 11-12.). Nucellus je kryt obvykle dvěma obaly, zvanými integumenty. Vnitřní integument se zakládá periklinálním dělením buněk střední části primordia vajíčka, roste symetricky a obklopuje nucellus od báze k apikální oblasti. Vnější integument je tvořen buňkami vrstev L1 a L2 a zakládá se hned pod vnitřním integumentem. Často roste asymerticky, na jedné straně se buňky dělí a prodlužují rychleji a vajíčko se obrací. Zakládání integumentů a jejich růst oddělují nucellus od poutka, oblast mezi poutkem a nucellem se nazývá chaláza. Integumenty se prodlužují a kryjí nucellus, kromě malé oblasti na vrcholu, kde zůstává otvor, zvaný klový neboli mikropyle. Mikropylí většinou vstupuje pylová láčka do vajíčka. U některých druhů rostlin, jejichž nucellus je slabě vyvinut a téměř spotřebován při tvorbě spor je vrstva buněk integumentu, přiléhající k nucellu, tvořena velkými buňkami s hustou cytoplazmou a nazývá se endothelium neboli integumentární tapetum. Tato vrstva pak zajišťuje látky pro růst a vývoj zárodečného vaku, endospermu a embrya. ▲Je-li vajíčko v ose poutka, nazývá se atropní neboli ortotropní (např.u čeledí Piperaceae, Polygonaceae), je-li otočené o 180° označuje se jako anatropní (např. v čeledích Vitaceae, Convolvulaceae). Vajíčka mají obvykle dva integumenty (tzv. vajíčka bitegmická). Jeden integument (unitegmické vajíčko) mají např. druhy čeledi Salicaceae.
V apikální části primordia vajíčka se velmi záhy (ještě před založením integumentů) jedna
hypodermální buňka diferencuje jako archesporální (zvětšuje se, má hustou cytoplazmu).
Tato buňka se u některých druhů rostlin mění přímo v mateřskou buňku megaspory -
megasporocyt (megasporocyt pak leží blízko povrchu vajíčka – vajíčko je tzv.
tenuinucelátní) nebo se archesporální buňka dále dělí a megasporocyt se diferencuje
v hlubších vrstvách nucellu (vajíčko krasinucelátní). U některých čeledí (např. čel.
Loranthaceae) se diferencuje megasporocytů několik, v jednom vajíčku se však dále vyvíjí
megasporocyt jen jeden.
Megasporocyt vstupuje do meiózy. Další vývoj má několik, taxonomicky specifických,
variant. Následující varianta je nejčastější, vyskytuje se asi u 80% druhů krytosemenných
rostlin. Dělením megasporocytu vznikají čtyři megaspory, lineárně uspořádané v kalózovém
obalu, z nichž obvykle tři zanikají a zbývá megaspora jedna (obvykle chalazální,
výjimečně mikropylární).
Megaspora se výrazně zvětšuje, buněčná stěna se zesiluje a je bez plazmodezmů. Jádro
megaspory se mitoticky dělí bez vzniku přepážek, megaspora se mění v samičí gametofyt -
zárodečný vak (obr. 11-13.). Dvě vzniklá jádra migrují k opačným pólům zárodečného vaku
(směr mikropyle – chaláza) a dále se dělí. Ve stadiu osmi jader končí dělení i coenocytické
stadium megagametofytu - začínají se tvořit přepážky. Na straně k mikropyli se diferencuje
větší oosféra a dvě menší buňky pomocné neboli synergidy (tzv. vaječný aparát), na straně
15
k chaláze tři buňky protistojné - antipody. Dvě zbývající jádra putují do centra, kde dříve
nebo později splývají. Touto cestou vzniká zárodečný vak zvaný monosporický, jádra jeho
buněk jsou deriváty jedné megaspory (typ Polygonum). U některých druhů po meióze nedojde
k cytokinezi a na tvorbě buněk zárodečného vaku se podílejí všechna čtyři meioticky vzniklá
jádra, vak se označuje jako tetrasporický. Existují však ještě další varianty a jejich typy.
Přepážky mezi buňkami zárodečného vaku jsou často tvořeny pouze membránami, pokud se
tvoří stěny, je obsah celulózy velmi nízký.
▲Odhaduje se, že v gyneceu se exprimuje až několik tisíc genů, které se jinde v rostlině neexprimují (uváděné počty se značně liší). Geny kódují regulační proteiny, určující vývojový program jednotlivých částí pestíku a samičího gametofytu, nebo zajišťují důležité funkce jako je prodlužování buněk, polarita zárodečného vaku, tvorba přehrádek nebo fúze jader centrální buňky zárodečného vaku. Samičí sterilita může být výsledkem narušení vývoje vajíček, průběhu megasporogeneze nebo narušení vývoje gametofytu.
Vývoj andrecea a gynecea v květu je u mnoha druhů rostlin časově individuálně
programován tak, aby nedošlo ke sprášení pylem z téhož květu (samoopylení, autogamii).
Většinou dozrává pyl v květu dříve než je blizna schopna opylení.
10.2.4. Opylení, růst pylové láčky oplození
Opylení neboli sprášení – přenesení pylu na bliznu – může být zprostředkováno větrem,
živočichy (nejčastěji hmyzem ale i ptáky a netopýry) nebo vodou. U květu, který se otvírá
(květ chazmogamický), je teoreticky možné opylení směsí různého pylu. Jen pyl určitých
vlastností se však na blizně zachytí, jen některý vyklíčí, jen některé láčky dopraví spermatické
buňky k zárodečnému vaku. Jen některé kombinace gamet dají vznik životaschopnému
embryu.
▲Sprášení pylem stejného květu se nazývá samoopylení - autogamie. U některých rostlin vede oplození spermatickou buňkou pocházející z pylu téhož květu ke vzniku normálního životaschopného jedince další generace – sporofytu. Květy některých rostlin se ani neotvírají (květy kleistogamické; violka vonná – Viola odorata, hluchavka objímavá – Lamium amplexicaule; někdy se květy otvírají jen za určitých vnějších podmínek, např. u ječmene – Hordeum vulgare). Sprášení pylem z jiného květu se označuje jako allogamie. Pochází-li pyl z jiného květu téže rostliny označuje se opylení jako geitonogamie, pochází-li z květu jiné rostliny stejného druhu, označuje se jako xenogamie. Některé odrůdy ovocných stromů jsou cizosprašné neboli samojalové (autosterilní) - k oplození a ke vzniku další generace je nutný pyl z jiné odrůdy téhož druhu. Rostliny vyvinuly nesčíslně strategií k tomu, aby některý pyl předem vyloučily, a naopak, aby
zvýšily pravděpodobnost sprášení vhodným pylem. Mezi druhy jsou zábrany často jen
mechanické a strukturní (velikost pylu a struktura blizny). Mnoho mechanizmů vede
především k zábraně samoopylení (prostorové uspořádání květů, časový program dozrávání
16
prašníků a blizny), některé mechanizmy jsou založeny na specifickém rozeznávání při
kontaktu pylu s bliznou a pletivem čnělky.
Opylení vyvolává řadu významných vývojových, druhově specifických změn. Charakter
signálu a cesta přenosu jsou zatím prakticky neznámy. Opylení navodí senescenci koruny a
kalichu a aktivaci růstu pletiv semeníku. Vývoj zárodečného vaku bývá v určitých fázích
zastaven a pokračuje až po opylení, u některých druhů rostlin opylení indukuje
megasporogenezi (např. u slivoně – Prunus dulcis), u jiných diferenciaci buněk zárodečného
vaku nebo fúzi jader centrální buňky (např. u kukuřice – Zea mays). U rostlin, které mají v
době opylení zárodečný vak zralý, dochází k degeneraci jedné ze synergid (např. ječmen). U
orchidejí je opylením indukováno založení vajíček na placentě (např. u druhů Catleya a
Dendrobium). Tento vývojový vztah odráží nízkou pravděpodobnost opylení.
Pyl je přenášen v částečně dehydratovaném stavu. Pro klíčení pylu musí na blizně dojít k
hydrataci. V některých případech stačí vzdušná vlhkost. Blizny určitých druhů rostlin, tzv.
vlhké blizny, vylučují sekret, který umožňuje zachycení a hydrataci pylu. Suché blizny jsou
selektivnější, poskytnou vodu jen pylu nejblíže příbuzných druhů. Důležitou úlohu v
rozpoznání pylu na suchých bliznách hrají látky na povrchu pylového zrna v exině - lipidy,
polysacharidy, proteiny a flavonoly, produkty mateřského sporofytu. Jednotlivé látky mají u
různých druhů rostlin různou důležitost. Některé druhy rostlin po rozeznání nevhodného pylu
brání klíčení tím, že v místě kontaktu na povrch blizny vyloučí kalózu.
Hydratovaný pyl na blizně klíčí – zvětšuje objem a obnovuje metabolickou aktivitu.
Vegetativní buňka pórem opouští exinu a mění se v pylovou láčku, která prorůstá pletivem
blizny do čnělky a nese buňku generativní, event. již dvě buňky spermatické.
Růst pylové láčky je charakterizován jako apikální – buněčná stěna a plazmatická membrána
se intenzivně zvětšují v omezené oblasti, směřující k vajíčku. S touto oblastí zůstává v
kontaktu také protoplast, který záhy přestane vyplňovat celý prostor, vymezený buněčnou
stěnou. Na povrchu, kde přestane být v kontaktu s buněčnou stěnou, se tvoří kalózová zátka.
Růst je pulzní, tvorba kalózy opakovaná. Během klíčení pylu a v první fázi růstu láčky
probíhá intenzivní syntéza proteinů translací mRNA, které byly připraveny už v prašníku.
Proto může růst láčky nastat prakticky okamžitě po hydrataci (např. u kukuřice během 5 min).
Nová mRNA se tvoří během dalších fází růstu láčky. Látky potřebné k růstu – sacharidy,
aminokyseliny, Ca2+ a bór (kap. 6.2.3.; kap. 6.3.3.) pylová láčka získává aktivací vlastních
zásob i z extracelulární matrix pletiva čnělky. Intenzivně rostoucí apikální zóna láčky
obsahuje množství větších a menších vezikulů, které zajišťují transport materiálu pro růst
buněčné stěny, hustý systém mikrofilament a menší počet organel (obr. 11-14.). Celulózní
17
buněčná stěna láčky je kryta tenkou vrstvou kalózy. Směr růstu je řízen gradientem Ca2+ a
stupněm glykosylace proteinů ve vodícím pletivu. Předpokládá se, že růst láčky
kompatibilního pylu je pletivem čnělky stimulován a aktivně usnadňován. Pylová láčka může
růst velmi rychle (až 1cm za hodinu). Rychlost odpovídá stavu vývoje zárodečného vaku. U
některých rostlin se růst láčky ve čnělce zastavuje i na několik týdnů (např. u dubu – Quercus,
časté u nahosemenných rostlin).
V dutině semeníku pylová láčka zůstává v kontaktu s jeho vnitřní stěnou, roste směrem k
vajíčku a po povrchu integumentu směřuje k otvoru klovému. Experimentálně bylo zjištěno,
že pozitivní signál vychází ze zbývající synergidy (jedna ze synergid degeneruje při opylení,
pokud je už diferencována). Láčka v mikropyli praská a uvolňuje spermatické buňky
(prakticky protoplasty), které vstupují do zárodečného vaku prostorem degenerované
synergidy. Jedna spermatická buňka vstupuje do oosféry, druhá do centrální buňky
zárodečného vaku. Membrány spermatických buněk se rychle rozpouštějí a jádra splývají.
Splynutím jádra oosféry s jádrem buňky spermatické vzniká zygota, fúzí spermatické buňky s
centrální buňkou zárodečného vaku vzniká mateřská buňka endospermu. Toto je
charakteristický fenomén krytosemenných rostlin zvaný dvojité oplození.
U většiny krytosemenných rostlin nejsou mezi spermatickými buňkami patrny rozdíly.
Takové rostliny se považují za izospermické a vstup spermatické buňky do oosféry nebo do
centrální buňky zárodečného vaku je náhodný.
▲U některých druhů rostlin jsou mezi spermatickými buňkami zjevné rozdíly a určitý typ spermatické buňky oplodní oosféru (tzv. preferenční oplození). Tento jev se označuje jako heterospermie neboli dimorfizmus samčích gamet. Např. u olověnce (Plumbago) spermatická buňka, která obsahuje více plastidů fúzuje s oosférou (situace výjimečná, olověnec zachovává a preferuje otcovský plastom; generativní buňky většiny druhů rostlin obsahují minimum plastidů, plastidy z pylu, pokud do oosféry vstoupí, jsou eliminovány). U některých rostlin je heterospermie zvaná nukleární, např. u kukuřice vstupuje do oosféry spermatická buňka, která má chromozom B. Chromozom B není homologní normální sadě chromozomů (A) a v druhé pylové mitóze se chromatidy neoddělují, jedno jádro spermatické buňky obsahuje oba chromozomy B a druhé žádný.
11.2.4.1. Vlastní inkompatibilita pylu
Vlastní inkompatibilita – autoinkompatibilita – je definována jako neschopnost
jednodomé, tj. oboupohlavné (hermafroditické), rostliny vytvořit zygotu po sprášení pylem
pocházejícím z téhož jedince. Označuje se SI (z angl. self-incompatibility).
Autoinkompatibilita vznikla v evoluci v různých čeledích nezávisle a má proto poněkud
odlišné prostředky vedoucí k dosažení stejného cíle – zabránit samoopylení. Vlastní pyl je
rozeznán a inaktivován. Inkompatiblita je geneticky založena geny, které se vyskytují v
mnoha allelách a exprimují se v pylu i v pletivu blizny a čnělky.
18
Jsou dva hlavní typy inkompatibility - častější gametofytická (GSI; z angl. gametophytic self-
incompatibility; byla popsána asi u 60 druhů rostlin) a sporofytická (SSI; z. angl. sporofytic
self-incompatibility). Při sporofytické inkompatibilitě je pyl rozeznán na základě látky
obsažené v exině, která vznikla z látek produkovaných tapetem (má sporofytický původ).
Sporofytická SI se vyskytuje u druhů se suchou bliznou, vlastní pyl je rozeznán na blizně a
nevyklíčí (není hydratován, často je v oblasti kontaktu tvořena kalóza). Sporofytická SI se
vyskytuje např. u rodů brukev – Brassica a starček – Senecio a je předmětem intenzivního
studia.
▲U rodu Brassica byly při sporofytické autoinkompatibilitě zatím identifikovány geny SLG a SRK, jejichž produkty jsou nezbytné pro rozeznání pylu. Gen SLG je exprimován v blizně a kóduje glykoprotein, který je vylučován do buněčné stěny. Gen SRK kóduje receptorovou kinázu (integrální protein plazmalemy buněk blizny, má extracelulární doménu, membránovou část a cytoplazmatickou doménu s aktivitou serintreoninové kinázy). Celý proces, jeho další komponenty a látky (patrně proteiny) rozeznávané v pylu zatím nejsou spolehlivě známy. Při gametofytické autoinkompatibilitě, která je častější a lépe poznaná, je zastaven růst pylové láčky ve čnělce. Gen S kóduje RNázu, která je vylučována do mezibuněčného prostoru, překoná buněčnou stěnu a membránu inkompatibilní pylové láčky, v láčce zůstává aktivní a degraduje její RNA což vede k zastavení růstu láčky. U kompatibilního pylu je několik možností - RNáza nepřekoná buněčnou stěnu nebo membránu pylové láčky, nebo je v láčce inaktivována. V procesu je rozhodující gametofyt a allela, kterou nese.
11.2.5. Vývoj plodů
Plod je charakteristickým orgánem krytosemenných rostlin. Morfologická různost plodů je
stejně jako u květů prakticky nepopsatelná. Evolučně znamenala tvorba plodů především
výhodu v rozšiřování areálu výskytu druhu a kolonizaci dalších oblastí.
Plod je tvořen oplodím neboli perikarpem a semeny. Semena vznikají přeměnou vajíček
(kap. 10.1.2.). Oplodí vzniká přeměnou semeníku, který se zakládá a vyvíjí v době tvorby
květu. Po opylení nastává výrazná aktivace jeho růstu a vývoje. Oplodí se někdy vyvine i bez
ohledu na to, zda dojde i k oplození a vývoji embrya a vzniku semen. Tento jev se nazývá
partenokarpie. U většiny druhů rostlin však růstová aktivita základu plodu ustává a obnovuje
se po oplození.
Růst plodu je zprvu dán intenzivním dělením buněk. Přesto, že jsou pletiva oplodí v
časných fázích vývoje fotosynteticky aktivní, stávají se, spolu s vyvíjejícími se semeny,
silným sinkem pro asimiláty tvořené v listech nebo uložených v zásobních pletivech -
internodiích nebo kořenech.Vedle asimilátů je do vznikajících plodů (nejen oplodí ale i
tvořících se semen) transportováno množství aminokyselin, minerálních látek, organických
kyselin a vody. V tomto období jsou silně exprimovány geny, kódující enzymy metabolizmu
19
sacharidů. Výrazně stoupá např. aktivita invertáz, které štěpí sacharózu na glukózu a fruktózu,
snižují její koncentraci a zajišťují tak její další přísun. Hexózy jsou využívány k tvorbě
dalších látek (strukturních i zásobních polysacharidů) nebo jako zdroj energie. V dalších
fázích vývoje se buňky především zvětšují, fotosyntetická aktivita ustává. Chlorofyl se
rozkládá, projevuje se přítomnost karotenoidů a antokyanů, zvětšující se plod mění barvu.
Po ukončení růstu plodu nastává období zrání, které má u různých typů plodů specifické
projevy. Suché plody ztrácejí vodu, při vysychání mění tvar a některé uvolňují semena. U
dužnatých plodů se obvykle snižuje obsah organických kyselin a mění se charakter
buněčných stěn. Hydrolázy - především endoglukanázy a galaktosidázy - narušují polymery
hemicelulóz a polygalakturonázy a pektin-metyltransferázy mění strukturu pektinů.
Následkem je měknutí dužnatých plodů. Plody často produkují i vonné látky.
Dužnaté plody se dle průběhu zrání dělí na klimakterické (jablka, hrušky, banány, rajčata,
avokádo) a neklimakterické (třešně, jahody, citrusy, ananas, meloun). Klimakterické plody
procházejí před vstupem do senescence obdobím zvýšené respirační aktivity (tzv.
klimakterické dýchání), provázené odbouráváním škrobu a strukturních polysacharidů a
zvýšenou produkcí etylénu. Tyto procesy jsou významné z hospodářského hlediska při
uchovávání a uskladňování plodů.
11.3. Senescence
Senescence – období stárnutí – je normální vývojová fáze, končí smrtí. Může se týkat jen
části rostliny, např. pletiva, orgánu, celé nadzemní části nebo celé rostliny. Senescence
jednotlivých částí rostliny, např. listů, kalichu, koruny, prašníků, je přirozená součást
ontogeneze rostliny. Během senescence jsou jednotlivé struktury - organely, membrány,
makromolekulární komplexy – programově odbourávány na dále použitelné metabolity –
sacharidy, aminokyseliny, minerální látky, organické kyseliny, které jsou transportovány do
aktivně rostoucích nebo přežívajících částí rostliny.
Přirozená senescence vyplývá z ontogenetického programu druhu rostliny. Je součástí
adaptace na sezónní klima. Před příchodem nepříznivého období ji u víceletých bylin
podléhá celá nadzemní část rostliny a látky jsou ukládány do kořenů. U dřevin je nadzemní
část redukována opadem listů a látky se ukládají v kořenech, kmenech, větvích a pupenech. U
jednoletých rostlin podléhá senescenci celá rostlina a látky se transportují do semen a plodů.
Během aktivního vegetačního období podléhají senescenci nejčastěji nejstarší listy, které se
díky tvorbě nových listů dostávají do nevhodných světelných podmínek.
20
Senescence však může být také součástí stresové reakce na nepříznivé podmínky vnějšího
prostředí, např. období nedostatku vody nebo výraznou změnu světelných podmínek. V těchto
případech může být senescence do určitého stadia vývoje revertovatelná.
Senescence je programovaný proces vyžadující expresi specifických genů. Geny, jejichž
exprese je v senescenci aktivována, se obvykle kolektivně označují jako SAGs (z angl.
senescene associated genes), jednotlivé geny u různých rostlin pak mají své vlastní značení.
Lze je rozdělit do dvou skupin. Geny, které jsou nezbytné pro vlastní metabolické procesy, a
geny, jejichž exprese řídí průběh senescence.
Některé geny se aktivují v počátečních fázích senescence (např. geny pro chlorofylázu, Mg-
jiné ve fázích pozdních (např. geny kódující enzymy pro odbourávání nukleových kyselin).
Zahájení procesů senescence vyžaduje aktivaci katabolických procesů, což se projeví
zvýšením transkripce některých exprimovaných genů a expresí dalších specifických genů,
zvýšenou translací a respirací. Syntetizuje se nejen řada enzymů, katalyzujících degradační
procesy, ale tvoří se i ochranné látky, neboť stárnoucí pletivo může být vstupní branou pro
patogeny. V plodech a listech se často zvyšuje syntéza karotenoidů a antokyanů. Naopak,
exprese jiných genů je tlumena až zcela ustává. V prvních fázích se jedná především o
útlum exprese genů nutných pro fotosyntézu.
Senescence listu se projevuje nejprve snížením rychlosti fotosyntézy a zvýšením respirace,
nejvýraznější je však ztráta chlorofylu a žloutnutí listů. Katabolické procesy začínají v
chloroplastech, které obsahují značné množství lipidů a proteinů. Tyto látky představují
množství dále využitelných látek a energie nezbytné pro degradační i transportní procesy.
Fotoautotrofní list se mění v heterotrofní orgán, chloroplasty na gerontoplasty. Degradační
procesy začínají v thylakoidech rozpadem pigmentproteinových komplexů, odbouráváním
chlorofylu, rozpadem fotosystémů, narušením membrán a štěpením lipidů a proteinů.
Gerontoplast však zůstává ještě funkční organelou, která zajišťuje řadu procesů, např.
transport degradačních produktů do cytoplazmy. Také integrita subcelulárních membrán a
kompartmentace biochemických cest zůstává zachována do pozdních fází senescence. Jako
poslední končí v buňce funkce tonoplastu a plazmalemy. Buňky zůstávají živé, dokud většina
využitelných a transportovatelných látek není translokována do přežívajících částí rostliny.
Buňky neztrácejí turgor, vadnutí se dostavuje až v posledních fázích senescence.
▲Chlorofyl je štěpen chlorofylázou na chlorofylid a fytol a Mg dechelatáza odstraní Mg z centra porfyrinového kruhu. V dalších reakcích se tetrapyrolový kruh otevírá a mění se v bezbarvý lineární produkt, který je transportován z gerontoplastu do cytoplazmy a z cytoplazmy do vakuoly (oba transporty vyžadují přenašeče na membránách a ATP). Ve vakuole probíhají konečné fáze destrukce
21
tetrapyrolu. Volný chlorofyl je schopný absorbovat energii a bez možnosti ji fotosyntetickým aparátem dále přenášet se mění v nebezpečnou látku, iniciuje fotochemické reakce destrukčního charakteru (vznik aktivních forem kyslíku; kap. 3.4.1.). Proto v senescenci také často stoupá obsah karotenoidů. Z membránových lipidů se uvolňují mastné kyseliny, které jsou transportovány z gerontoplastu do cytoplazmy. Listové peroxizomy se mění v glyoxizomy a mastné kyseliny štěpí. Výsledkem navazujících metabolických procesů, probíhajících v mitochondriích a cytosolu, jsou především transportovatelné sacharidy (hlavně sacharóza). V podstatě stejné procesy probíhají při odbourávání zásobních lipidů během klíčení (kap. 10.2.1.). Část sacharidů je využita také jako zdroj energie. Další degradační produkty membránových lipidů a jiných membránových komponent se hromadí v lipidové dvouvrstvě, dochází k porušení permeability membrán a úniku iontů z lumenu thylakoidů. Nakonec se membrány gerontoplastu mění v lipidoproteinová tělíska, která se uvolňují do cytoplazmy. Proteiny jsou během senescence odbourávány aktivně syntetizovanými proteázami, degradace probíhá především ve vakuolách. Plastidové proteiny jsou nejprve částečně degradovány v plastidech (aktivní jsou serinová proteáza a aspartátová proteáza), další fáze probíhají v cytosolu (cysteinové proteázy). Zvýšená aktivita glutaminsyntetázy v cytosolu zajišťuje efektivní transport organicky vázaného dusíku a aktivní detoxikaci NH4
+. Vzniklé aminokyseliny a amidy jsou transportovány floémem do aktuálních sinků. Organicky vázaná síra je transportována ve formě glutathionu. Odbourávání proteinů ubikvitinovou cestou na proteazomu S26 (kap. 8.2.5.1.), závislé na dodání ATP a charakteristické pro degradaci regulačních a některých strukturních proteinů, se zde uplatňuje omezeně.
Celkové množství RNA, které na počátku senescence stoupá, se v dalších fázích senescence
snižuje. Degraduje se i DNA. Nukleové kyseliny obsahují velké množství fosforu, který je ze
senescentních buněk transportován jako anorganický fosfát. Konečné fáze odbourávání bází
nukleových kyselin probíhá ve vakuolách.
Senescence je jednou z mnoha podob programované buněčné smrti (PCD; z angl.
programmed cell death), které se u rostlin přirozeně vyskytují. Některé z podob PCD jsou
součástí obranných stresových reakcí. Mezi ně patří. tzv. hypersenzitivní reakce, stresová
odpověď na napadení patogenem (kap. 7.6.2.1.) nebo vznik aerenchymu při stresu
způsobeném nedostatkem kyslíku při zaplavení (kap. 7.3.2).
Jiné podoby PCD patří k normálním vývojovým procesům, např. ke vzniku cévních elementů
(kap.7.3.2.). Vznik cévních elementů připomíná autolýzu. Po té, co vznikla sekundární
buněčná stěna, se rozrušuje tonoplast a začíná lignifikace buněčné stěny. Destruuje se
endoplazmatické retikulum, mizí diktyozomy, následně také mitochondrie, plastidy a jádro.
Jako poslední se rozpadá plazmalema.
11.4. Dormance
Ontogeneze rostlin je diskontinuální. Vedle období aktivity se přirozeně vyskytují období
více nebo méně výrazného útlumu.
Dočasný stav klidu (útlumu, odpočinku, spánku) charakteristický výrazným snížením
vývojových, růstových a metabolických procesů je označován jako dormance. Dormancí
22
procházejí embrya (kap. 10.1.2.; 10.2.), celé rostliny nebo její části. Dormance je přirozenou
součástí adaptace na klimatické podmínky stanoviště, prostředkem utváření základní
stavby rostliny a reakce na poškození – regenerace.
Pro překonání nepříznivých vnějších podmínek nebo poškození je významná především
dormance pupenů. Zakládání pupenů zajišťuje rostlině schopnost obnovit růst v případě, že
aktivně rostoucí pupeny jsou poškozeny. Vstup pupenů do dormance umožňuje vývoj rostliny
jako kordinovaného celku.
Klidový stav pupenů je dle jeho příčin charakterizován jako paradormance, endodormance
nebo ekodormance. Tyto stavy mají své signální a regulační cesty a mohou se vyskytovat
jednotlivě i současně.
Paradormance pupenu je inhibice jeho vývoje z vnitřních příčin rostliny, působená jinými
orgány rostliny, především distálně položenými pupeny. Projevem paradormance je např.
apikální dominance (nadvláda apikálního pupene - aktivní inhibice vývoje axilárních pupenů
působená apikálním pupenem) nebo korelační inhibice listem.
Endodormance je stav způsobený vnitřním stavem pupenu, zabraňuje jeho vývoji v
pravidelně se opakujících obdobích nepříznivých podmínek a zajišťuje, že vývoj pupenu bude
obnoven v období, které bude pro vývoj primordií, která pupen obsahuje, vhodné po
dostatečně dlouhou dobu. V regulaci endodormance hrají důležitou roli vnější podmínky.
Nástup dormance pupenů u většiny dřevin je řízen fotoperiodicky. Pro uvolnění z
endodormance je obvykle nezbytné dlouhodobé působení nízkých teplot.
Endodormance pupenů u dřevin mírného pásu se obvykle dělí na fázi nástupu dormance,
fázi vlastní neboli hluboké dormance a fázi uvolnění z dormance. Endodormance pupenů
mnoha dřevin začíná obvykle uprostřed léta i dříve. Vstupují do ní aktivně rostoucí pupeny
apikální a, dle druhu rostliny, také pupeny axilární v době, kdy vnější podmínky jsou pro růst
příznivé. Axilární pupeny bývají v té době u většiny druhů rostlin ve stavu paradormance
působené pupenem apikálním. Nástup endodormance je často indukován fotoperiodickým
signálem a projevuje se aktivní programovou změnou. Mění se především vývoj derivátů
stonkových meristémů, meristémy samy zůstávají ještě různě dlouhou dobu v různé míře
aktivní. Ustane prodlužování internodií, několik primordií na bocích periferního meristému,
která v období vegetativní aktivity dávají vznik listům, se v období nástupu dormance vyvíjí v
omezují únik tepla (jejich funkce je někdy srovnávána s funkcí osemení). Před vstupem do
vlastní neboli hluboké dormance, může meristém dát vznik ještě několika listovým
primordiím, event. i základům axilárních meristémů. Může vstoupit do přechodného stadia i
23
vytvořit základy květních částí. Základy květů nejen ovocných ale i okrasných dřevin se tvoří
právě v tomto období. Aktivita meristému i růst následujících listových nebo květních
primordií ustává, v pupenu se hromadí inhibiční látky, především kyselina abscisová,
snižuje se obsah vody v buňkách, zvyšuje se koncentrace sacharidů, aminokyselin a rostlina
se připravuje na období nízkých teplot. V následujícím období hluboké dormance je aktivita
meristému minimální, pupeny jsou rezistentní k chladu i mrazu a růst se neobnoví ani za
příznivých vnějších podmínek. Dlouhodobě působící nízké teploty jsou k překonání hluboké
dormance nezbytné, vedou ke snížení obsahu inhibičních látek. Po uvolnění z dormance se za
příznivých vnějších podmínek obnovuje růstová aktivita a vývoj primordií pokračuje.
Meristém, pokud je vegetativní nebo přechodný, obnovuje činnost. U některých druhů rostlin
je k uvolnění z dormance nutný i fotoperiodický signál, jeho požadavek se však vyskytuje v
tomto období výrazně méně často než v období nástupu endodormance.
Byliny tvoří obdobné klidové pupeny na přezimujících částech rostliny, kořenech, oddencích,
v cibulích nebo na orgánech, které k přezimování vytvoří, např. na hlízách.
Ekodormance je klid způsobený aktuálními avšak přechodnými (nepravidelnými)
nevhodnými podmínkami, např. nízkou teplotou nebo suchem. Nízké teploty na konci zimy
nebo v časném jaru mohou prodloužit projevy endodormance pupenů a oddálit obnovení
růstové aktivity.
Obr. 11-1. Schéma uspořádání květních částí (rožec rolní – Cerastium arvense). a – kalich, b – koruna, c – tyčinky, d – plodolisty tvořící pestík. (Podle Kubát K. a kol. Botanika. – Scientia spol. s r.o., Praha 1998. Upraveno.).
zpět do textu
b
a
c d
Obr.11-2. Podélný řez pupenem jabloně (Malus). a – květní základy, b – vegetativní axilární meristém, c – základ listu, d – obalné šupiny pupenu.
zpět do textu
d (Podle Smith G.M., Gilbert E.M., Evans R.I., Duggar B.M., Bryan G.S., Allen Ch.E.: A Textbook of General Botany. – The Mackmillan Comp. 1946, New York. Upraveno.).
a
b c
Obr. 11-3. Délka fotoperiody během roku na různých severních zeměpisných šířkách. (Podle Downs R.J., Hellmers H.: Environment and experimental control of plant growth. – Academic Press, London 1975. Upraveno.).
délk
a te
mné
per
iody
(h)
délk
a fo
tope
riod
y (h
)
leden prosinec zpět do textu
Obr. 11-4. Kvetení fotoperiodicky citlivých rostlin za různých fotoperiod. LDP – dlouhodenní rostliny kvetou, je-li skutečná fotoperioda delší než kritická (na schématu 11h), SDP – krátkodenní rostliny kvetou, je-li skutečná fotoperioda kratší než kritická (na schématu 15h). (Podle Vince-Prue D.: The duration of light and photoperiodic responses. – In: Kendrick R.E., Kroenenberg G.H.M.: Photomorphogenesis in Plants. – Martinus Nijhoff Publ., Dordrecht 1986. Upraveno.).
rela
tivní
vel
ikos
t květ
ní o
dpověd
i
délka fotoperiody do textu na str. 5
Obr. 11-5. Vliv aplikace světla během temné periody na kvantitativní parametry kvetení fotoperiodicky citlivých rostlin. (Podle Hart J.W.: Light and Plant Growth. - Unwin Hynan, London, 1988. Upraveno.).
rela
tivní
kvě
tní
odpo
věď
doba aplikace světla od začátku temné periody (h)
Krátkodobá aplikace světla (15 min)v době mezi 5. a 9.h tmy výrazně snížila počet vytvořených květů u krátkodenní rostliny Kalanchoe blossfeldiana (A). U dlouhodenní rostliny Fuchsia (B) měla aplikace světla naopak pozitivní vliv – květy se vyvíjely rychleji.
zpět do textu
Obr. 11-6. Schéma modelu ABC, ukazujícího působení tří skupin genů v květním meristému Arabidopsis thaliana. Na základě studia mutantů byl pro určení květních částí navržen model tří překrývajících se polí A, B, C. Kalich a koruna - části tvořené v 1. a 2. kruhu - jsou určeny geny skupiny A, koruna a tyčinky - části 2. a 3. kruhu - jsou určeny skupinou genů B, tyčinky a pestík - části 3. a 4. kruhu - funkcí genů skupiny C. Gen s funkcí A je gen AP1, geny s funkcí B jsou geny AP3 a PI - produkty jejich genů tvoří heterodimer AP3/PI. Funkci genu C má gen AG.
zpět do textu
(Podle Coen E.S., Meyerowitz E. M.: The war of the whorls: Genetic interactions controlling flower development. – Nature 353: 31 – 37, 1991.).
AG
AP3/PI AP1
Obr. 11-7. Schéma prostorové a časové exprese genů LFY, AP1, AP3 a AG, které řídí kvetení u Arabidopsis thaliana. (Podle Okamuro J.K., den Boer B.G.W., Jofuku D.: Regulation of Arabidopsis flower development. - The Plant Cell 5: 1183 – 1193, 1993. Upraveno.).
IM – přechodný (intermediátní) meristém, FM – florální meristém, ka – kalich, ko – koruna, p – pestík, t – tyčinky. A až C – podélné řezy různými vývojovými stádii meristému: A – stádium přechodného meristému, B – rané stádium florálního meristému, zakládání květních částí; C – střední stádium vývoje květu, kdy jsou založeny všechny květní části a vyvíjejí se. D – květ (příčný řez). zpět do textu
Obr. 11-8. Schéma vývoje prašníku. (Podle Goldberg R.B., Beals T.P., Sanders P.M.: Anther development: Basic principles and practical applications. – The Plant Cell 5: 1217 – 1229, 1993. Upraveno.).
diferenciační fáze
dehiscenční fáze
zpět do textu A – vrchol před založením tyčinek; B, C, D – diferenciační fáze vývoje prašníku; C – příčný řez primordiem prašníku; E, F, G – dehiscenční fáze; D až G – příčné řezy střední částí prašníku. a – apikální meristém (květní); b – kalich; c – koruna; d – základ tyčinky; e – základ plodolistu (karpelu); f – epidermis (z vrstvy L1); g – archespor (derivát vrstvy L2), z jehož buněk vzniknou mateřské buňky mikrospor → mikrospory → samčí gametofyty (pylová zrna), pletivo stěny prašníku a tapetum na vnější straně prašného pouzdra; h – deriváty vrstvy L3, z nichž vznikne tapetum na vnitřní straně prašného pouzdra, pletivo spojidla (konektivu) a vodivé pletivo; ch – pletivo stěny prašníku; i – vnější tapetum; j – vnitřní tapetum; k – mikrospory; l – spojidlo; m – vodivé pletivo; n – specializované buňky stěny prašníku, které degenerují při splývání prašných pouzder a usnadňují otvírání prašných váčků; o – stomium (specializované buňky epidermis, degenerují při otvírání prašných váčků); p – tetrády mikrospor (v kalózovém obalu); r – pylová zrna; s – prašné pouzdro.
Obr. 11- 9. Pylová zrna různých rostlin. A – jitrocel (Plantago), B – pepřovník (Piper), C – pryskyřník (Ranunculus), D – povíjnice (Ipomea), E – kolotočník (Telekia), F – réva (Vitis), G – kopřiva (Urtica), H – mák (Papaver), CH – platan (Platanus), I – ambrosie (Ambrosia), J – proskurník (Althaea), K – leknín (Nymphaea). (Bewley J.D., Hempel F. D., McCormock S., Zambryski P.: Reprodictive development. – In: Buchanan B.B., Gruissem W., Jones R.L.: Biochemistry and molecular Biology of Plants. - Barvy jsou pro názornost upraveny a zvý-razněny.).
zpět do textu
Obr. 11-10. Schéma vývoje samčího gametofytu (dvoubuněčného pylového zrna).
zpět do textu
b A – mikrospora (exina s třemi póry); B – pylové zrno po první mitóze je tvořeno buňkou vegetativní (a) a buňkou generativní (b), která leží uvnitř buňky vegetativní; C – klíčení pylového zrna (po kontaktu s vhodnou bliznou), jádro vegetativní buňky (c) vstupuje do pylové láčky; D – generativní buňka vstupuje do pylové láčky; E – dělením generativní buňky v pylové láčce vznikly dvě buňky spermatické (d). (Podle Smith G.M., Gilbert E.M., Evans R.I., Duggar B.M., Bryan G.S., Allen Ch.E.: A Textbook of General Botany. – The Mackmillan Comp. 1946, New York. Upraveno.).
A B
c C
d
b
c
D E
Obr. 11-11. Příčný řez semeníkem a uložení placent. A – naholist (Podophyllum), jeden plodolist srůstá v pruzích na ventrální straně, na okrajích plodolistu v dutině semeníku je placenta s vajíčky; B – violka (Viola), semeník je tvořen třemi plodolisty, které srůstají okraji, placenta s vajíčky je na dorzální straně plodolistů; C – lilie (Lilium), tři plodolisty srůstají ventrální stranou tak, že centrální dutinu dělí na tři části.
A B C
zpět do textu
(Podle Smith G.M., Gilbert E.M., Evans R.I., Duggar B.M., Bryan G.S.,Allen Ch.E.: A Textbook of General Botany. – The Mackmillan Comp. 1946, New York. Upraveno.).
Obr. 11- 12. Schéma vývoje vajíčka (vajíčko obrácené – anatropní). (Podle Reiser L., Fischer R.L.: The ovule and the embryo sac. – The Plant Cell 5 : 1291 – 1301, 1993. Upraveno.).
f j
h
d e i
b a
g chc
zpět do textu a - nucellus, b – mateřská buňka megaspory (megasporocyt), c – poutko, d – vnitřní integu-ment, e – vnější integument, f – chaláza, g – tři zanikající megaspory, h –megaspora, která se dále vyvíjí v zárodečný vak, ch – otvor klový (mikropyle), i – buňka vaječná (oosféra), j – zárodečný vak.
Obr. 11-13. Vývoj zárodečného vaku. A – megaspora, B – mladý gametofyt po prvním dělení jádra megaspory, C – čtyřjaderný zárodečný vak, D – polarizující se zárodečný vak s osmi jádry, E – diferencovaný zárodečný vak : a – oosféra, b – synergida, c – centrální buňka zárodečného vaku, d - antipody.
zpět do textu
(Podle Smith G.M., Gilbert E.M., Evans R.I., Duggar B.M., Bryan G.S., Allen Ch.E.: A Textbook of General Botany. – The Mackmillan Comp. 1946, New York. Upraveno.).
d
A c
B
a C
D b
E
Obr. 11-14. Apikální růstová oblast pylové láčky. (Podle Mascarenhas J.P.: Molecular mechanisms of pollen tube growth and development. - The Plant Cell 5: 1303 – 1314, 1993. Upraveno.).
e gf
h c
d a b zpět do textu a- vnější buněčná stěna, b – vnitřní buněčná stěna, c – mitochondrie, d – diktyozom, e – mikrofilamentum, f – endoplasmatické retikulum, g - váčky s materiálem pro buněčnou stěnu, h – váček fúzující s plazmalemou.
