WYKŁAD 1

Kwiaty i zalążki

• pąk – rozwija się z merystemów wierzchołkowych na szczycie pędu w tzw.: pachwinach liści, następuje przekształcenie wegetatywnych pąków w merystem kwiatostanowy, zamiast łodygi i liści rozwija się kwiat i jego poszczególne części

Schemat rozwoju kwiatu

• merystem apikalny przekształca się, rozszerza się i spłaszcza

• pęd przestaje się wydłużać

• powstają zaczątki kielicha (działek kielicha), następnie płatków korony, pręcików, owocolistków. Proces ten zachodzi od podstawy do wierzchołka (rozwój akropetalny)

• pąki powstają pod koniec okresu wegetacji w postaci tzw.: pąków zimowych, z grubą okrywą, otoczone powłoką podobną do śluzu

Kwiat

• organ generatywny wszystkich roślin okrytozalążkowych

• u podstawy kwiatu występuje szypułka, dno kwiatowe, na których osadzony jest okwiat

• okwiat złożony zawiera płatki korony i działki kielicha (czyli zmodyfikowane liście)

• część generatywna zawiera słupek z makrosporofilami, czyli owocolistkami (zalążnia, szyjka, znamię), pręciki zbudowane z nitki i główki. Wszystkie te elementy osadzone są na dnie kwiatowym

• w kwiecie wyróżniamy zatem część wegetatywną i płodną

Ewolucja kwiatu

• ze skróconego pędu ze zredukowanymi międzywęźlami i zmodyfikowanymi liśćmi

• tendencje ewolucyjne

  • skracanie osi kwiatowej i przejście ze spiralnego do okółkowego ułożenia w kwiecie

  • zmniejszenie liczby okółków

  • słupek dolny zamiast górnego

  • zalążnia na wypukłym dnie kwiatowym

  • symetria grzbiecista zamiast promienistej

  • zalążnia zrośnięta z dnem kwiatowym i znajdujące się w niej części kwiatu

Rodzaje symetrii kwiatu

• dwuboczna

• promienista

• grzbiecista

• asymetria (np. u storczyka)

Rodzaje kwiatów

• obupłciowe (lilia)

• rozdzielnopłciowe

  • jednopienne (kwiaty męskie i żeńskie na tej samej roślinie – kukurydza)

  • dwupienne (kwiaty męskie i żeńskie na innej roślinie – topola)

Kwiaty rozdzielnopłciowe

• kwiaty tylko z pręcikowiem – tylko męskie

• kwiaty tylko z słupkowiem – tylko żeńskie

• kwiaty płonne – pierwsze obwodowe kwiaty Hortensji

Budowa okwiatu

• zbudowany z kielicha i korony

  • kielich – z liści przykwiatowych, najczęściej zielony

  • korona – z liści przykwiatowych lub pręcików, najczęściej barwna

• typy koron

  • korona wolnopłatkowa – jabłoń

  • korona zrosłopłatkowa – petunia

  • korona z przykoronkiem – żonkil

• funkcje okwiatu

  • chroni słupki i pręciki

  • wabi zapylacze

• może być pojedynczy lub podwójny

Okwiat

• pojedynczy – jednoliścienne

• podwójny – dwuliścienne = kielich K + działki kielicha + korona C + płatki korony

• brak okwiatu – kwiaty bezokwiatowe

Pręciki

• budowa: nitka + główka

• główka zbudowana z dwóch pylników

• w każdym z pylników są dwa woreczki pyłkowe (łącznie 4)

• pylniki złączone są za pomocą łącznika w którym zatopiona jest wiązka przewodząca

• nie wszystkie pręciki są płodne – tzw.: prątniczki u powojnika, nie zawierają pyłku

Pyłek

• dojrzałe ziarno pyłku stanowi gametofit męski (i tylko on!)

• ziarna pyłku niektórych roślin zawierają worki powietrzne, np.: sosna

Słupek

• powstaje w wyniku zrośnięcia owocolistków

• typy słupków

  • jednoowocolistkowe – jeden szew – u grochu

  • wieloowocolistkowe – tworzą tyle jednolistkowych słupków ile owocolistków lub słupek wielokrotny z wielu owocolistków

Ewolucja słupka

• w ewolucji liść z którego powstał słupek początkowo miał klasyczny kształt; zalążki położone były obwodowo, tendencją było jego zwijanie i tworzenie tuby, gdzie zalążki położone były w miejscu połączenia, czyli szwu

• położenie zalążni względem dna kwiatowego

  • słupek wystaje poza dno kwiatowe – słupek górny (hypogeiczny) – kwiat dolny

  • słupek trochę wystaje poza dno kwiatowe – słupek górny (peigeiczny) – kwiat okołozalążkowy

  • słupek zapadnięty w dno kwiatowe – słupek dolny (epigeiczny) – kwiat górny

Budowa słupka

• zawiera łożysko (placenta) z której wyrastają zalążki

• często stigma (znamię) połączona jest z zalążnią szyjką, ale u traw jest inaczej

Funkcje słupka

• znamię – przyjmuje ziarno pyłku, które kiełkuje

• szyjka – odżywianie rosnącego gametofitu żeńskiego

• zalążnia – rozwój zalążków (ovaria)

Zalążek

• żeński organ rozmnażania z którego rozwija się gametofit żeński w postaci woreczka zalążkowego

• centrum zalążka tworzy nucellus, w którym występuje komórka archesporialna z której powstają makrospory

• nucellus osłonięty jest integumentem wewnętrznym i zewnętrznym, pomiędzy nimi tworzy się tzw.: mikropyle

• wyróżniamy dwa bieguny: chalazalny i mikropylarny

Powstawanie zalążka

• miejscem powstania makrospory jest megasporangium

• zalążki powstają w postaci wzgórków merystematycznych czyli primordiów

Etapy powstania zalążka

• młody zalążek powstaje z komórek merystematycznych

• z komórek pośrodku tworzy się nucellus

• wielkość zalążka zależy od liczby warstw dzielącej się placenty (cecha gatunkowa)

• ośrodek stanowi centralną część

• podział protodermy prowadzi do powstania osłonki (integumentu) u podstawy wzgórka

• nie u wszystkich roślin występują dwa integumenty

  • u większości roślin – 2

  • Santalales – 0

  • Solanaceae i Acanthaceae – 1

• osłonka zbudowana jest z miękiszu, który przekształca się w tkankę mechaniczną – sklerenchymę łupiny nasiennej, czasem część z nich odżywia zarodek

• w zalążku wyróżnia się bieguny – mikropylarny i chalazalny, gdzie zalążek łączy się ze sznureczkiem

• sznureczek – funicullus, tworzy się z tkanki miękiszowej w której zatopiona jest tkanka przewodząca, a u Compositae, Convolvulaceae występują też w pozostałych elementach

• endothelium – tapetum integumentalne – powstaje w osłonce, skórce przylegającej do ośrodka (nucellusa), okryta grubą kutikulą, może zawierać więcej niż 2C DNA. Odżywia woreczek.

  • kutikula jest wewnętrzna

  • u niektórych roślin stanowi bazową warstwę okrywy nasiennej (Ricinus communis)

  • komórki wierzchołka endothelium mogą tworzyć czapeczkę – kalotkę, która może wyrastać na zewnątrz – w wyniku podziałów periklinalnych

• operculum – u Eukaliptusa

  • wewnętrzne – w kolorze zalążka

  • zewnętrzne – czerwono – żółte

• u niektórych roślin w części chalazalnej występują komórki ulegające lignifikacji – jest to hipostaza, która zapobiega rozrostowi woreczka, ułatwia też transport substancji z wiązki przewodzącej do woreczka zalążkowego

• podium (postament) – w kształcie miseczki o którą opiera się woreczek

• epistaza – w ośrodku nielicznych gatunków zapobiega wysychaniu zapłodnionego zalążka, infekcji patogenem

• u niektórych roślin peryferyjne warstwy komórek ośrodka pozostają z nasieniu jako tkanki spichrzowe w postaci obielma (perysperma)

• u części gatunków tworzy się obturator – ze sznureczka lub z placenty, tworzy wachlarz i jest drogą po której rośnie łagiewka (u lilii)

Typy zalążków

• ortotropowy – mikropyle naprzeciw sznureczka – pokrzywowate, rdestowate

• hemitropowy – okienko prostopadle do sznureczka – jaskrowate

• kampylotropowy – okienko zagięte – strączkowe

• amfitropowy – podkowiaste zagięcie zalążka i woreczka – żabieńcowate

• anatropowy – odwrócony, okienko przy sznureczku – liliowate

Układ zalążków w słupku

• placenta brzeżna (ścienna)

• placenta osiowa (środkowa)

• placenta swobodna (kolumnowa)

Ustawienia megasporocytu

• pod epidermą – subepidermalny

• pod warstwą subepidermalną

• głęboko w ośrodku

Powstawanie makrospory

• z komórki macierzystej, 2n chromosomów i 4C DNA

• następuje pierwszy podział mejotyczny – redukcyjny 1n, 2C

• powstają dzięki temu dwie duże komórki – diada

• następuje drugi podział redukcyjny – zachowawczy, gdzie zmniejsza się zawartość DNA z 2C na 1C

2n 1n 1n

4C 2C 1C

• z tych 4 makrospor 3 są nieaktywne, jedna rozwija się dalej

• zaczyna powstawać gametofit

Powstawanie gametofitu

• po kariokinezie nie ma cytokinezy

• pojawia się 8 jąder, pomiędzy którymi jest duża wakuola, część pozostaje na biegunie chalazalnym, część na mikropylarnym

• dwa z jąder wywędrowują do środka, może tam powstawać komórka zlana z dwóch jąder biegunowych, która jest diploidalna

• powstają dwie synergidy i jedna komórka jajowa

Ilość	Typ	Chromosomy	Łącznie
1	Komórka jajowa	1n	7 komórek
1	Komórka centralna	2n
2	Synergidy	1n
3	Antypody	1n

Typ woreczka zalążkowego a ilość jąder

• monosporowy – z 1 komórki powstają 4 komórki jednojądrowe

• bisporowy – z 1 komórki powstają 2 komórki dwujądrowe

• tetrasporowy – nie ma cytokinezy, zawsze są 4 jądra

Synergidy

• tworzą aparat włókienkowy czyli filiformowy, który ułatwia przepływ substancji odżywczej

• odpowiada za funkcję troficzną i oddziaływanie na łagiewkę

• musi mieć plastydy ze skrobią i mitochondria

• w pobliżu bieguna chalazalnego jedna lub kilka wakuoli

Tamaryszek

• tworzy jeden lub kilka typów woreczków

• zależy to od temperatury

• mogą być aż cztery typy.: np. chryzantemum, adoxa lub dhrusa

Podwójne zapłodnienie

• tylko u okrytozalążkowych

• występują dwa jądra komórek plemnikowych

• jedno zapładnia komórką jajową, drugie komórkę centralną, tworzy się zarodek (2n) i bielmo (3n)

• z osłony zalążka tworzy się łupina nasienna

• zalążek przekształca się zatem w nasiono

WYKŁAD 2

Budowa pręcika

• pylnik

• filament

Kwiaty

• obupłciowe – hermafrodytyczne – 90% gatunków

  • rośliny jednopienne – 1% gatunków, modrzew, leszczyna, brzoza, dąb, orzech włoski, sosna, tuja, jodła, ogórek, kukurydza, melon, figowiec

  • rośliny dwupienne – 3% gatunków, cis, klon jesionolistny, topola, wierzba, szparag, szpinak, chmiel, konopie, kiwi, daktylowiec, pistacja

• jednopłciowe – dwupienne + jednopienne

Płeć roślin i kwiatów jako umowny wskaźnik

• kwiaty pręcikowe uważamy za męskie

• kwiaty słupkowe uważamy za żeńskie

• same kwiaty nie mają płci, gdyż są częścią sporofitu

• męskość i żeńskość zależne jest od wytwarzania gamet

• tylko gametofity posiadają płeć – woreczki zalążkowe i ziarna pyłku

• u roślin dwupiennych sporofit żeński oznaczamy XX, a męski XY

• u jednopiennych i hermafrodytów nie ma zróżnicowanych chromosomów płci, czyli nie ma X i Y, a geny związane z płcią znajdują się na innych chromosomach

• o płci decydują zatem wytwarzane hormony płciowe

Przemiana pokoleń

• wyróżniamy dwie fazy

  • faza wzrostu, organogenezy (wegetatywna, diploidalna) – po zapłodnieniu powstaje sporofit, kończy się w momencie powstania tetrad (mejocytów)

  • faza rozmnażania się (generatywna, haploidalna) – w kwiatach, rozpoczyna się powstaniem zarodników – mikro i makrosporocytów, kończy się wytworzeniem gamet w gametofitach

Budowa pręcika

• zbudowany z nitki i główki, każda główka zbudowana jest z dwóch pylników, a każdy pylnik zawiera dwa woreczki, inaczej mikrosporangium

• funkcją jest produkcja ziaren pyłku, jego wytwarzanie i uwalnianie

• w przekroju poprzecznym widoczna jest epiderma, endotecjum, dwie warstwy komórek pośrednich, tapetum i pokład ziaren pyłku

• rozwój pręcika – powstaje z wierzchołka kwiatowego w młodym pędzie z merystemów

  • komórki merystematyczne otoczone są epidermą

  • następuje różnicowanie w czterech narożach główki – tkanka pramacierzysta mikrospor

  • dookoła nich różnicuje się tapetum, wokół tapetum okrywa

• tworzenie się woreczka pyłkowego

  • endotecjum – otwieranie pylników i specyficzna ściana komórkowa

  • komórki pośrednie – zawierają skrobię i tłuszcze

  • tapetum

  • komórki pyłkowe

• komórka macierzysta mikrospor – różnicuje się w mikrosporocyty

• intensywny wzrost komór pyłkowych – rozdział mikrosporocytów zawieszonych w płynie odżywczym pochodzącym z tapetum, które dostarcza polisacharydy, białka, lipidy

• powstają mikrospory (w młodych, nierozwiniętych pąkach)

• zanika tapetum

• mikrospory rozwijają się w ziarna pyłku

Synchronizacja rozwoju

• mikrospory połączone są z tapetum plasmodesmami

• połączenia zanikają po rozpoczęciu mejozy

• zanik ściany celulozowo-pektynowej, utworzenie ściany kalozowej mikrosporocytów

• mejoza rozpoczyna się w sezonie poprzedzającym kwitnienie u roślin drzewiastych i zatrzymuje się na etapie mejozy w fazie profazy tetrady lub mikrospor

• na wiosnę proces ulega dokończeniu (np.: u wiśni)

Synchronizacja mikrosporocytów

• sąsiadujące komórki połączone są kanałami cytomiktycznymi

• synchronizację warunkują dyfundujące substancje

Tapetum

• pojedyncza warstwa komórek otaczająca komorę pylnikową

• rozwija się równolegle z mikrosporocytami

• dochodzi do utraty plazmodesmy z przyległymi tkankami (mejocyty i warstwa pośrednia)

• cytoplazma zawiera skrobię i orbikule (otoczone sporopolleniną, tzw. ciałka Ubisha)

• jądra stają się poliploidalne, komórki stają się poliploidalne

• dostarcza kalazę, która trawi ścianę kalozową (ta zastępowana jest sporopolleninową)

• rozpuszcza własną ścianę komórkową i staje się protoplastem

• komórki rozpadając się (PCD) przed otwarciem okwiatu, kaloza zostaje wymieniona na egzynę (sporopollenina)

• wydziela płyn do komory sporangium

• brak tapetum powoduje problemy w rozwoju komórek pyłku

• są dwa rodzaje tapetum:

  • ameboidalne (plazmodium)

  • wydzielnicze (sekrecyjne, parietalne)

Rodzaje tapetum

• wydzielnicze – u dwuliściennych – na obrzeżu komory pylnika

• ameboidalne – u jednoliściennych – komórczaki

Endotecjum

• pojedyncza warstwa komórek tuż pod epidermą główki pręcika

• ściany styczne i promieniste – z zwiększoną zawartością celulozy, ściany styczne zewnętrzne są znacznie cieńsze, warunkuje to otwarcie komory i wysyp

• warstwa zewnętrzna wysycha, warunkuje to otwarcie komory, a miejsce otwarcia to stomia

Różnicowanie tkanki mikrosporialnej

• komórki pramacierzyste mikrospor (tkanka archesporialna) różnicuje się

• powstają komórki macierzyste mikrospor (mikrosporocyty)

• następuje mikrogametogeneza w wyniku której powstają mikrospory

• mikrospory dojrzewają dając ziarna pyłku

tkanka archesporialna mikrosporocyty mikrospory ziarna pyłku

Mikrosporogeneza

• od etapu mikrosporocytu do etapu mikrospory

Stadium	Ilość chromosomów	Ilość DNA
Mikrosporocyt	2n	2c
Mikrosporocyt	2n	4c
Diada	1n	2c
Tetrada	1n	1c
Mikrospory	1n	1c
Dojrzała mikrospora	1n	1c

Główne układy tetrad

• u większości dwuliściennych – tetraedr

• u jednoliściennych – jedna, liniowa płaszczyzna

Podziały

komórka merystematyczna (mitoza) komórka pramacierzysta mikrospor (mitoza)

komórka macierzysta mikrospor (mejoza I) diada (mejoza II) tetrada (różnicowanie)

ziarno pyłku (mikrospora)

Mikrogametogeneza

• od mikrospory do ziarna pyłku

• w tetradzie znajdują się 4 haploidalne mikrospory (1c, 1n(

• DNA ulega replikacji (2c, 1n)

• jądro przesuwa się w stronę ściany, powstaje mikrospora spolaryzowana

• podział mitotyczny, powstaje niedojrzałe ziarno pyłku, komórka generatywna i wegetatywna (ta druga w fazie G₀) 2c, 1n

• komórka generatywna dzieli się na dwie komórki

• ziarno pyłku składa się zatem z komórki wegetatywne i dwóch komórek generatywnych

• każda komórka ziarna pyłku jest haploidalna

Etap	Ilość DNA	Ilość chromosomów
Mikrosporocyt	4c	2n
Diada	2c	1n
Tetrada	1c	1n
4 mikrospory	1c	1n
4 ziarna pyłku	1c	1n
8 komórek plemnikowych	1c	1n

Podział jądra generatywnego

• dwujądrowe ziarno pyłku może dzielić się

  • jeszcze w pylniku

  • w łagiewce pyłkowej

Dojrzałe ziarno pyłku

• duża komórka generatywna

• okryta sporodermą, która jest dwuwarstwowa (egzyna z kutyny oraz intyna z celulozy i pektyn)

• wewnątrz komórki wegetatywnej dwie wakuole i jądro

• dwa jądra generatywne

Sporoderma - budowa

Tectum	Segzyna	Egzyna
Kolumelle
Negzyna
Intyna

• egzyna – tworzy się jako primegzyna, z włókien celulozowych i glikoprotein, syntetyzowana przez mikrospory

• negzyna – sporopollenina, syntetyzowana w mikrosporach, osadza się pod primegzyną, powstaje z orbikul

• intyna – odkłada się na końcu, zbudowana z celulozy, pektyn, białek

• wolna przestrzeń między kolumellami to przestrzeń dla kiełkującej łagiewki

• sporopolleniny mają różną barwę

Ściany komórek szeregu mikrosporogenezy

• komórki pramacierzyste mikrospor - celuloza + pektyna

• mikrosporocyt - kaloza

• tetrada - egzyna + sporopolleniny

• mikrospory - sporopollenina

• ziarno pyłku - sporopollenina (intyna + egzyna)

Powstawanie sporodermy

• powstaje ściana kalozaowa na zewnętrznej błonie komórkowej

• pomiędzy kalozą, a błoną powstaje primegzyna

• w primegzynie powstają kolumelle

• powstaje negzyna i teptum, zanika kaloza

• odkładają się sporopolleniny z orbikul

• zanika primegzyna

• tworzy się intyna

Sporoderma

• odpowiada za ochronę ziarna pyłku, gdyż sporopollenina jest odporna na stres

• urzeźbienie ułatwia przyleganie do zapylacza i do znamienia słupka

• szpiczasta egzyna charakterystyczna jest dla roślin owadopylnych

• pyłek wiatropylny jest gładki

Pollenkit (kit pyłkowy)

• lepka mieszanina zawierająca białka i lipidy, pozostałość po tapetum

• podnosi efektywność zapylenia ze względu na dużą lepkość

• chroni pyłek przed warunkami środowiska

• odpowiada za sporofitową samoniezgodność zapylenia

• występuje w porach egzyny

Łagiewka pyłkowa

• transporter komórek plemnikowych

• jest konieczna, gdyż u roślin wyższych komórki plemnikowe nie mają witek

Ziarno pyłku przed zapyleniem

• dojrzewanie w woreczkach polega na

  • odwadnianiu

  • wejściu w spoczynek (1 dzień – 1 rok), staje się wtedy nieaktywne fizjologicznie, jest gotowe do rozsiewania, zdolne do kiełkowania

WYKŁAD 3

Zapylenie – proces polegający na przemieszczeniu ziarna pyłku na znamię słupka u roślin kwiatowych. Jest warunkiem wstępnym i niezbędnym do zapłodnienia

Pylnik otwiera się

• pod wpływem dotyku owada

• pod wpływem podmuchu wiatru

• samoczynnie

Mechanizm otwarcia

• wysychanie tkanek

• niszczenie komórek ścian pylnika

• pęcznienie celulozy w endotecjum

• duże naprężenie, ściana nie wytrzymuje bodźca mechanicznego i pęka

Wektory pyłku

• wiatr

• zwierzęta – owady, ptaki, nietoperze, inne (koewolucja)

• siła ciężkości

• woda

Entomofilia (entomogamia) – owadopylność

• pyłek jest bogatym substratem energetycznym

• wabikiem jest nektar, który jest wydzielany do momentu zapłodnienia

• najskuteczniejszym zapylaczem jest pszczoła, przenosi do 5 mln ziaren pyłku dziennie, widzi w zakresie światła UV, nie widzi światła czerwonego

• egzyna szpiczasta warunkuje przyczepianie do owada (wspomaga to lepki kit pyłkowy)

• rośliny owadopylne produkują ok. 100 razy mniej pyłku niż rośliny wiatropylne.

Pollenkit

• pochodzi z tapetum

• zlepia ziarna pyłku w agregaty

• odpowiada za samoniezgodność

Anemofilia (anemogamia) – wiatropylność

• pyłek lekki, suchy, małe ziarna, ale produkowane w dużej ilości

• znamiona słupków są bardzo rozbudowane

• w zalążni zaledwie 1-2 zalążków

• egzyna ziarna pyłku jest gładka, bez płaszcza pollenkitu

• pylniki wiszą na długich nitkach pręcikowych

Ornitofilia (ornitogamia) – ptakopylność

• głównie w tropikach

• gatunki: kolibry, nektarynki

• kwiaty są duże, barwne, bezzapachowe, dużo nektaru

Chiropterofilia (chiropterogamia) – nietoperzopylność

• kwiaty zapylane są przez nietoperze, typ ten jest popularny w tropikach

• kwiaty są słabo zabarwione

Hydrofilia (hydrogamia) – wodopylność

• rośliny przystosowane są do zapylenia w wodzie

• pyłek przenoszony jest przez fale lub prąd wody

• czasami rośliny wodne zapylane są jednak przez owady (niski poziom wód)

Kleistofilia (kleistogamia) – samopylność

• czasami pylniki pozostają zamknięte i otwierają się w nierozwiniętym kwiecie (kwiaty kleistogamiczne)

• samopylne

• rzadko otwierają się, stając się owadopylne

Samopylność

• pyłek pochodzi z tego samego kwiatu na którym znajduje się zapylany słupek (obupłciowe) lub pyłek pochodzi z tego samego osobnika na którym znajduje się słupek (rozdzielnopłciowe, jednopienne)

• samozapylenie jest procesem mało efektywnym, ogranicza zróżnicowanie puli genetycznej potomstwa

• co jakiś czas rośliny autogamiczne muszą się krzyżować, aby zapobiegać zwyrodnieniu i chowowi wsobnemu

Zapobieganie samopylności

• dwupienność – na każdym osobniku występują tylko kwiaty żeńskie lub tylko kwiaty męskie

• nierównomierne w czasie dojrzewanie słupków i pręcików

• specjalna budowa kwiatów, tzw. heterostylia

  • krótkie słupki, długie pręciki

  • krótkie pręciki, długie słupki

• zapylenie krzyżowe

Obcopylność

• przenoszenie pyłku z jednej rośliny (osobnika) na inną roślinę (osobnika) tego samego gatunku

• dotyczy wszystkich roślin kwiatowych

• tylko u dwupiennych musi być tego typu mechanizm, nie mogą być fakultatywnie obcopylne

• zalety

  • przyspiesza ewolucję

  • zapewnia zmienność

  • zwiększa żywotność

Samoniezgodność zapylenia

• inaczej nazywana samobezpłodnością

• najskuteczniejszy i najprostszy sposób zabezpieczenia

• geny ulegające ekspresji w pręcikach i słupkach mogą być jednakowe lub różne, jeśli są jednakowe, to ziarno pyłku zostaje odrzucone

• w przypadku, gdy białka które uległy ekspresji są różne, pyłek kiełkuje na znamieniu

• ekspresja obu alleli na słupku i pręciku powodują zaburzenia związane z

  • obecnością pyłku na znamieniu

  • wnikaniu łagiewki do szyjki słupka

Geny

• gen samoniezgodności – wieloalleliczny, zarówno pyłku jak i słupka, oznaczony jako „S”, a allele „S1”, „S2”, „S3” itd. są wariantami tego genu

• są poliformiczne i dziedziczone jako jedna jednostka genetyczna

• ziarna pyłku mają genotypy haploidalne, ale od tej samej rośliny pochodzą allele S1 i S2

• genotypy słupka są diploidalne

• jeśli mamy słupek Sx i słupek Sx, to nie dochodzi do kiełkowania pyłku, jeśli słupek ma genotyp Sx, a ziarno pyłku Sy, to może kiełkować łagiewka pyłkowa

Podział alleli samoniezgodności

• diploidalny mikrosporocyt ulega podziałowi

• powstaje diada, a następnie tetrada, genetycznie mamy więc 2 komórki jednego rodzica i dwie drugiego rodzica

• rozwija się ziarno pyłku, początkowo dwukomórkowe, później trójkomórkowe

• ważna zasada: w jednym locus S występują przynajmniej dwa wieloalleliczne geny. jeden z nich jest odpowiedzialny za genotyp słupka i pręcika. Pojawiają się zatem fenotypy: Sl i Pl

• w diploidzie genotyp jest jakby podwójnym haplotypem, a z ziarnach pułku mamy pojedynczy haplotyp

• wszystkie geny S są dziedziczone jako jedna jednostka genetyczna

Fenotyp słupka

• genotyp – zestaw genów; fenotyp – zdeterminowany wygląd

• allelem jest wariant danego genu, w tym przypadkiem Sx

• haplotyp – genom haploidalny; diplotyp – genom diploidalny

• fenotyp słupka – zdeterminowany podwójnym haplotypem

• geny ulegają ekspresji w komórkach

• w pyłku o fenotypie decyduje

  • diploidalny genotyp komórki macierzystej – zależy od tapetum

  • haploidalny genotyp ziarna pyłku – zależy od pyłku

Fenotyp pyłku

• ze względu na determinację fenotypu ziarna pyłku wyróżniamy

  • samoniezgodność gametofitową – u gatunków rośli, u których fenotyp jest wynikiem ekspresji genu S występującego w pojedynczym haplotypie pyłku

  • samoniezgodność sporofitową – fenotyp pyłku jest wynikiem ekspresji genu S obu alleli tkanek sporofitu, głównie pylnika (tapetum)

Samoniezgodność gametofitowa

• jako samoniezgodny rozpoznawany jest ten wariant, który ma allel S identyczny z jednym z dwóch alleli genotypu słupka (np.: pyłek S1 i słupek S1 i S2)

• wyróżniamy dwa typy samoniezgodności gametofitowej

  • typ Solanaceae – zahamowanie rozwoju męskiego gametofitu ma miejsce dopiero w górnej części szyjki słupka

  • typ Papaveraceae – zahamowanie rozwoju gametofitu męskiego ma miejsce już na znamieniu słupka

• s słupek wrastają tylko te łagiewki, które mają różne od słupka haplotypy

Typ Solanaceae

• ziarno od początku jest niezgodne, ale kiełkuje

• zahamowanie następuje w podznamieniowej części słupka

• szlak transmisyjny – komórki szyjki uczestniczą w reakcji samoniezgodności

• opisano u trzech rodzin okrytonasiennych

  • Rosaceae (różowate)

  • Solanaceae (psiankowate)

  • Scrophulariaceae (trędownikowate)

Budowa locus S i jego produktów w typie Solanaceae

• w locus S zidentyfikowano dwa geny

  • gen S-RNA-azy ulegający ekspresji w słupku

  • gen SFB ulega ekspresji w pyłku

• produkty genów

  • S-RNA-azy – białko z domenami PS (sekwencja sygnałowa), C1-C5 (domeny konserwatywne), C2-C3 (sekwencje katalityczne), HVa i HVb (regiony wysoce zróżnicowane, wykazują alleliczny polimorfizm genu)

  • SFB – białko z domenami F-box (sekwencje konserwatywne), regiony wysoce zróżnicowane (uczestniczą w rozpoznawaniu RNA-azy)

Mechanizm molekularny typu Solanaceae

• fenotyp pyłku S2 i słupka (S1 S3) są odmienne

• wniknięcie słupkowej RNA-azy do łagiewki

• rozpoznanie S1-RNA-azy przez białko SFB2 jako odmiennej, obcej

• białko SFB2 jest inhibitorem S1-RNA-azy

• następuje ubikwitynacja RNA-azy

• enzym ulega degradacji w proteasomach 26s (brzmi znajomo)

• ocalony RNA pyłku powoduje wzrost łagiewki

Mechanizm u Papaveraceae

• rozpoznanie i odrzucenie niezgodnego ziarna pyłku odbywa się już na znamieniu słupka, łagiewka nie wrasta

• reakcje te oparte są na oddziaływaniu sygnał-receptor

• dzieje się to na drodze przekazywania sygnału wapniowego

• układ sygnalizacyjny to

  • cząsteczki sygnałowe – ligandy – białka S znamienia

  • receptory (białka typu S)

  • kaskada wewnątrzkomórkowych procesów prowadzi do zahamowania wzrostu łagiewki niezgodnych ziaren pyłku

• występuje u Papaveraceae (makowatych)

Mechanizm molekularny typu Papaveraceae

• ligand S1 jest rozpoznawany przez receptor S1

• uruchomienie kaskady zdarzeń

  • wzrost stężenia jonów wapnia (zasoby wewnątrz i zewnątrzkomórkowe)

  • aktywacja kinaz białkowych (zależnych od CAM i wapnia), które regulują aktywność białek regulatorowych

• efektem jest

  • spadek gradientu wapnia

  • depolimeryzacja aktyny

  • zahamowanie syntezy składników niezbędnych do wzrostu łagiewki’

• konsekwencją jest zahamowanie wzrostu łagiewki pyłkowej

• ostatecznie dochodzi do PCD i fragmentacji jąder pyłkowych

Samoniezgodność sporofitowa

• jako niezgodny rozpoznawany jest ten pyłek, który wytworzyła roślina posiadająca przynajmniej jeden haplotyp S1 S2 wspólny z jednym z haplotypów S2 S3

• zahamowanie rozwoju ziarna pyłku ma miejsce na znamieniu słupka, a łagiewka nie wrasta

• wrasta łagiewka ziaren pyłku wytworzonych przez roślinę, której obydwa haplotypy S3 S4 są różne od haplotypów S1 S2

• gatunkami z samo niezgodnością sporofitową są Brassicaceae (kapustowate)

Determinanty samoniezgodności sporofitowej

• rozpoznawanie i odrzucanie niezgodnego ziarna pyłku oparte jest o interakcję receptor-ligand

• determinanty

  • żeński – białko obecne w papilli znamienia (receptor)

  • męski – białko obecne w płaszczu pyłku (ligand)

Geny niezgodności sporofitowej w locus S

• wyróżniamy 3 geny odpowiedzialne za ten proces

  • SLG – białko wydzielnicze o wysokim stopniu polimorfizmu, wiąże ligand (ekspresja na znamieniu słupka)

  • SRK – białko receptorowe, kinaza serynowo-treoninowa (ekspresja na znamieniu słupka)

  • SP11/SPR – białko sygnałowe, wysoce polimorficzne (ekspresja w komórkach tapetum)

Struktura i funkcja białek SRK

• białko wydzielnicze, receptorowe, transbłonowe, o aktywności kinazy receptorowej (Ser/Tre) w znamieniu słupka

• zawiera domeny

  • PS – sekwencja sygnałowa

  • DS - zewnątrzkomórkowa domena z trzema wysoce polimorficznymi regionami decydującymi o rozróżnieniu allelicznym, rozpoznaje i wiąże ligand pyłkowy, gdy haplotypy są takie same

  • DT – domena transbłonowa

  • DK – konserwatywna domena kinazy Ser/Tre

Struktura i funkcja białek SLG

• glikoproteina wydzielnicza o wysokim polimorfizmie

• wydzielana do ściany papilli znamienia

• wysoce homologiczne do domeny DS. białka SRK

• posiada sekwencję sygnałową PS

• posiada trzy regiony wysoce zróżnicowane

• przypuszczalna funkcja to

  • tworzenie połączenia z białkiem SRK umożliwiając wiązanie liganda pyłkowego

  • uczestniczy w dojrzewaniu białka SRK

  • jest przenośnikiem ligandów

Struktura i funkcja białka SCR

• białko sygnałowe (ligand)

• zlokalizowane w płaszczu lipidowym pyłku

• ulega ekspresji w sporoficie, w tapetum, stąd eksportowane do sporodermy

• zawiera sekwencję sygnałową PS

• białko wysoce polimorficzne (50-66aa), konserwatywne jest jedynie 8 reszt Cys i jedna Gly na C-końcu, pozostałe aa są zmienne

Inicjacja zapylenia

• bezpośredni kontakt między sporodermą a ścianą znamienia

• sporoderma uwalnia lipidowo-białkowe opłaszczenie

• między pyłkiem a papillą wytwarza się stopka odpowiedzialna za adhezję i uwolnienie pyłku

• białka SP11/SPR przez kanały w kutikuli wchodzą do ściany papilli i docierają do kompleksu receptorowego znamienia.

Molekularny mechanizm samoniezgodności sporofitowej

• uwolnienie białka SP11/RSC ze sporodermy

• transport SP11/SCR przez glikoproteinę SLG

• interakcja z domeną receptora SRK (gdy haplotypy są takie same)

• dysocjacja SRK od inhibitora fosforylacji

• autofosforylacja SRK

• aktywacja funkcji kinazowej SRK

• fosforylacja białek uczestniczących w reakcji samoniezgodności

• fosforylacja białka ARC (przenoszące ubikwitynę)

• ARC1 wiąże się do białek niezbędnych w rozwoju pyłku

• następuje ubikwitynacja

• degradacja w proteasomach 26s

• efekt – odrzucenie pyłku

Uwagi do samoniezgodności

• proces trwa ok. 45 minut

WYKŁAD 4

Faza progamiczna

• wydarzenia w okresie od zapylenia do zapłodnienia

• łagiewka przerasta przez słupek i przedostaje się do woreczka zalążkowego

• następuje wzajemne oddziaływanie między łagiewką i komórkami słupka

Procesy związane z aktywacją ziarna pyłku

• ziarno pyłku jest uśpione i nieaktywne

• po upadku na znamię słupka następuje adhezja (adhezja)

• ziarno pyłku zostaje aktywowane (aktywacja)

• tkanki słupka przejmują rolę wprowadzenia łagiewki

• w wyniku uwodnienia dochodzi do aktywacji genów łagiewki pyłkowej (cer, rtg) (uwodnienie)

• następuje kiełkowanie i aktywacja genów (tip1, seth 1 i 2) (kiełkowanie)

• przerost tkanek słupka (penetracja słupka)

• aktywny wzrost łagiewki (ffd34, ffd42, mad, pgd, anx 1 i 2) (wzrost łagiewki)

• wzrost ukierunkowany do woreczka (wzrost ukierunkowany)

• przebicie ściany woreczka zalążkowego

• zapłodnienie

Kiełkowanie ziarna pyłku

• ziarno pyłku pada na znamię słupka

• ziarno zwiększa swoją objętość na skutek pobierania wody z powierzchni znamienia

• intyna tworzy uwypuklenie i tworzy ujście łagiewki w egzynie wydostając się na zewnątrz w postaci łagiewki pyłkowej

• łagiewka składa się z protoplastu pochodzącego z komórki wegetatywnej otoczonej ścianą komórkową (celulozową)

Droga łagiewki pyłkowej

• znamię

• szyjka

• przegroda zalążni

• komora woreczka zalążkowego

• mikropyle (czasami od strony chalazalnej lub integumentu)

Przerastane tkanki

• tkanka znamienia

• tkanka szyjki

• tkanka transmisyjna

• tkanka ściany zalążka

• tkanka sznureczka

• tkanka osłonek

• komórki synergid

Oddziaływania wzajemne pyłku i słupka

• pyłek - wydziela kutynazę i inne enzymy, rozkładają one ścianę komórkową znamienia i szyjki, ułatwiają penetrację łagiewki pyłkowej

• łagiewka – wydziela hormony i enzymy z klasy pektynaz: poligalakturonazy, esterazy, liazy, które degradują pektyny na drodze łagiewki pyłkowej, później stanowią materiał budulcowy dla ściany łagiewki

• słupek – wydziela wodę umozliwiająca kiełkowanie, substancje odżywcze i wzrostowe, które mogą być bardzo zróżnicowane (np.: flawonoidy), enzymy degradujące inhibitory kiełkowania i wzrostu, raz chemocyjaniny kierunkujące wzrost łagiewki w słupku

• w przypadku niezgodności:

  • słupek nie wytwarza czynnika kiełkowania łagiewki

  • słupek wytwarza substancje hamujące wzrost łagiewki

  • słupek nie wydziela wody umożliwiającej prawidłowy wzrost lagiewki

Tkanka transmisyjna

• komórki słupka wytwarzają specyficzne warunki

  • wydłużone komórki transmisyjne tworzą szlak dla kiełkującej łagiewki

  • komórki luźno ułożone bez blaszki poprzecznej umożliwiają wzrost

  • komórki wydzielnicze odżywiają łagiewkę

  • napęczniałe ściany komórkowe są łatwiejsze w penetracji

  • przestrzenie międzykomórkowe wypełnione są maziowatą substancją – macierzą zewnątrzkomórkową (ECM), która składa się z wody, substancji pektynowych, polisacharydów, białek i czynniki kierunkujące wzrost. Umożliwia to wzrost i rozwój łagiewki, oraz odżywia ją

Wyjście łagiewki na przegrodę

• łagiewka wychodzi z tkanki transmisyjnej szyjki słupka i dalej rośnie na przegrodzie

• nie jest dokładnie znany mechanizm przejścia z tkanki transmisyjnej na przegrodę

• prawdopodobne jest, że warunkuje to lokalna degradacja kutikuli

Sygnały w obrębie zalążni

• w zalążniach wielozalążkowych gametofity niekoniecznie są zapładniane w kolejności ułożenia zalążków , łagiewki często omijają płodne zalążki, być może jest to kwestia przypadku, ale niewykluczone, że jest to mechanizm preferencyjnego zapłodnienia. Im więcej kiełkujących ziaren pyłku, ty większe prawdopodobieństwo, że zalążki zostaną zapłodnione po kolei (Arabidopsis thaliana)

• tkanki słupka stanowią nie tylko trakt dla łagiewki, ale i umożliwiają jej odbiór sygnału wysyłanych przez zalążki, które kierunkują wzrost

• każdy płodny zalążek wydziela na powierzchnię łożyska substancje chemotaktyczne, czyli atraktanty, które dyfundują i rozpraszają się wyznaczając drogę wzrostu. Są to tak zwane czynniki długodystansowe

Droga łagiewki pyłkowej po powierzchni sznureczka

• łagiewka rośnie przylegając do sznureczka, kierunek wyznaczają diploidalne tkanki zalążka

• łagiewka nagle skręca i kieruje się w stronę mikropyle. Kierunek wyznaczają sygnały z gametofitu żeńskiego, głównie z synergid

• czynniki krótkodystansowe występujące na powierzchni synergid, sznureczku i kanale mikropylarnym zalążków kierunkują wzrost łagiewki

Tkanka mikropylarna

• przygotowuje środowisko wzrostu łagiewki do receptywnych (płodnych) zalążków

• cechuje się nasiloną aktywnością wydzielniczą

• występuje powiększenie przestrzeni międzykomórkowych

• przestrzenie międzykomórkowe wypełnione są wydzieliną zawierającą

  • substancje odżywcze i budulcowe

  • pektyny

  • substancje kierunkujące wzrost łagiewki

  • jony wapnia

Rozwój gametofitu żeńskiego

• aparat jajowy – 2 synergidy + 1 komórka jajowa – biegun mikropylarny

• 1 komórka centralna (2 jądra biegunowe) – po środku

• 3 antypody - biegun chalazalny

Zmiany w zalążku

• przed zapłodnieniem – fuzja jąder komórki centralnej, degeneracja antypod

• po wniknięciu łagiewki pyłkowej – migracja łagiewki w kierunku jednej z synergid, wzrost łagiewki w synergidzie, wniknięcie do synergidy, zatrzymanie wzrostu, degeneracja tejże synergidy, pęknięcie łagiewki, wylanie cytoplazmy z uwolnionymi jądrami plemnikowymi

Wybór synergidy

• synergida wybierana (receptywna) wydziela atraktanty, ale również jest częściowo zdegenerowana, ma uszkodzoną błonę

• degeneracja zaczyna się tuż po zapyleniu, kiedy łagiewka wzrasta w szyjce słupka

• osłabienie i sygnały chemotaktyczne kierują łagiewkę do receptywnej synergidy

• druga synergida pozostaje nienaruszona do chwili pomyślnego zapłodnienia obu komórek

Funkcje synergid

• działanie chemotropowe na łagiewkę poprzez wydzielanie białek wabiących i atraktantów

• umożliwiają pękanie wierzchołka łagiewki

• uwalniają plemniki do jednej z synergid

Uwolnienie zawartości łagiewki

• następuje zahamowanie wzrostu łagiewki w synergidzie

• wierzchołek łagiewki ulega powiększeniu

• dochodzi do pęknięcia łagiewki

  • sygnałem ku temu jest białka z synergidy – ZmES4 (DEFL)

  • odbiorcą jest kanał jonów potasowych – KZM1

  • następuje depolaryzacja błony

  • wierzchołek łagiewki pęka

  • dochodzi do energicznego wyrzutu zawartości

• pozostałe czynniki biorące udział w pękaniu

  • ANX1 i ANX2 – zapobiega pękaniu łagiewki zanim ta dotrze do synergidy

  • ACA9 – pompa wapniowa, hamuje wzrost łagiewki i warunkuje pękanie

• Po wejściu łagiewki do synergidy, zachodzi degeneracja tejże synergidy (PCD), jest to proces niezbędny do zahamowania wzrostu łagiewki

Komórki plemnikowe w woreczku zalążkowym

• obie komórki plemnikowe są ze sobą połączone poprzecznie błoną komórkową, a syncytium to powstało już w wyniku podziału mitotycznego komórki generatywnej, ponadto tacza je błona komórki wegetatywnej

• takie połączenia umożliwia synchronizację docierania do synergidy (Arabidopsis thaliana)

• z synergidy jądra wydostają się do przestrzeni między komórkami woreczka zalążkowego i układają się między komórką jajową, a komórką centralną

Izomorfia komórek plemnikowych

• u większości roślin kwitnących, w tym u Arabidopsis, obie komórki nie są morfologicznie zróżnicowane, i są równocenne kompetentne w zapładnianiu zarówno komórki jajowej jak i centralnej

• prawdopodobieństwo zapłodnienia komórki jajowej i centralnej jest takie same, zarówno przez jedną jak i drugą komórkę plemnikową

• tylko u niektórych gatunków, np.: Plumbo zeylanica ma miejsce asymetryczny podział komórki generatywnej prowadzący do dymorfizmu komórek plemnikowych. Większe jądra plemnikowe z większą liczbą mitochondriów preferencyjnie zapładniają komórki centralne

Łączenie się gamet – podwójne zapłodnienie

• zlanie się cytoplazmy nazywamy plazmogamią, zlanie się jąder to kariogamia

• komórki żeńskie podlegające zapłodnieniu (komórka jajowa i centralna) nie mają kompletnej ściany komórkowej

• plemniki wcale nie posiadają ściany komórkowej (są zatem naturalnymi protoplastami)

• w miejscu syngamii (połączenia gamet) stykają się błony obu gamet

• ścisła kontrola tego procesu zapewnia najpierw adhezję (przyleganie), a następnie fuzję (łączenie) komórki jajowej i plemnikowej, oraz komórki centralnej i plemnikowej – te dwa etapy są krytyczne

Adhezja i fuzja gamet

• adhezja komórek i fuzja gamet to procesy niezbędne i konieczne do zapłodnienia

• białko GEX2 na powierzchni męskich gamet jest niezbędne do adhezji

• białko HAP2/GCS1 (fuzogen) ulokowane są po wewnętrznej stronie błony i pęcherzykach cytoplazmatycznych w gametach męskich, jest to niezbędne do fuzji gamet

• białka EC1 (kumulowane w pęcherzykach wydzielniczych cytoplazmy komórki jajowej) są wydzielane na zewnątrz

• następuje aktywacja komórki plemnikowej reorganizującej swoją błonę komórkową, następuje powierzchniowa ekspozycja białek HAP2/GCS1

• ponadto białka TET zlokalizowane w błonach komórek plemnikowych (TET 1 i TET 2), oraz komórek jajowej i centralnej (TET 9) prawdopodobnie wspomagają fuzję komórek

Komórki podwójnego zapłodnienia (amfimiksji)

Ziarno pyłku	1n - komórka plemnikowa	1n - komórka plemnikowa
Woreczek zalążkowy	1n – komórka jajowa	2n – komórka centralna
Efekt	2n – zygota	3n – jądro bielmowe

• początkowo łagiewka niesie jedną komórkę generatywną i jedną wegetatywną

• komórka generatywna dzieli się, tworzą się dwie komórki plemnikowe

• łagiewka z dwoma komórkami plemnikowymi wchodzi do synergidy, zanika jądro wegetatywne

• synergida rozpada się

• jedno jądro plemnikowe zapładnia komórkę centralną, a jedno komórkę jajową

Interakcje łagiewka – woreczek u Arabidopsis

• łagiewka wrasta do receptywnej synergidy – jądro wegetatywne ulokowane jest przed komórkami plemnikowymi. jądro komórki wegetatywnej jest zasocjowane z komórką plemnikową leżącą za nią (męska jednostka generatywna)

• pękniecie łagiewki pyłkowej i gwałtowne wyrzucenie zawartości – dochodzi do zmieszania zawartości łagiewki z zawartością synergidy, zawartość rozlewa się poza synergidę (dezintegracja błony)

• w ciągu jednej minuty komórki plemnikowe docierają do miejsca fuzji, pomiędzy komórkami jest tylko wąska szczelina

• po kilku minutach (ok. 7) bezruchu (w wyniku komunikacji gamet męskich i żeńskich) następuje plazmogamia jednej komórki plemnikowej z komórką jajową, zapłodnienie wyzwala natomiast mechanizm zabezpieczający przed fuzją drugiej komórki plemnikowej z powstałą zygotą (blok przeciw polispermii). Taki sam mechanizm występuje w komórce centralnej

• nieco później ma miejsce plazmogamia drugiej komórki plemnikowej z komórką centralną, od razu odbywa się kariogamia między jądrami tych komórek. Szybka dekondensacja chromatyny jądra plemnikowego w j komórce centralnej

• po zsynchronizowaniu cykli komórkowych obu komórek następuje kariogamia jadra pierwszej komórki jajowej. Dekondensacja chromatyny zapłodnionego jądra komórki centralnej , a następnie aktywacja cykli komórkowych (szybciej niż w zapłodnionej komórce jajowej)

Ile ziaren pyłku kiełkuje na jednym znamieniu?

• w słupku wielozalążkowym kiełkuje wiele ziaren pułku, więcej niż jest zalążków

• kiełkuje tylko pyłek zgodny

• łagiewka pyłku niezgodnego o ile wykiełkuje, degeneruje w części podznamieniowej

• niekiedy pyłek niezgodny pokona bariery i zapładnia komórki zalążka. Powoduje to:

  • powstawanie mieszańców niezgodnych roślin

  • powstawanie mieszańców międzygatunkowych

Ile zalążków penetruje jedna łagiewka?

• zazwyczaj jedna łagiewka wydostaje się z przegrody i zmierza do jednego mikropyle

• zdarza się, że wiele łagiewek zmierza do jednego zalążka, ale dociera tylko jedna

• sporadycznie zdarza się, że kilka łagiewek dotrze do mikropyle, ale wchodzi tylko jedna

• łagiewki nie wchodzą do zapłodnionego zalążka

Mechanizmy zabezpieczenia

• pomyślne zapłodnienie inicjuje degradację drugiej synergidy, która zaprzestaje wysyłania atraktantów w celu zwabienia łagiewek

• sygnały repulsywne (odpychania) pochodzą z różnych źródeł i mają na celu zahamowanie wzrostu innych łagiewek

  • od zalążka – komórek sporofitowych, komórek gametofitu

  • od łagiewki – łagiewki zapładniającej, konkurujących łagiewek

Tylko dwie szanse na zapłodnienie zalążka

• łagiewki pyłkowe są przetrzymywane w słupku dość długo (do 28h), dzieje się tak na wypadek niepowodzenia w zapłodnieniu pierwszą łagiewką

• system awaryjny zostaje uruchomiony, gdy pierwsza łagiewka dostarcza niezdolne do zapłodnienia komórki plemnikowe

• druga i ostatnia szansa do pomyślnego zapłodnienia zalążka to wniknięcie drugiej łagiewki, trzecia nie wniknie ze względu na brak trzeciej synergidy – wyjątkiem jest Amborella trichopoda, która posiada 3 synergidy

Awaryjny system zapładniania u Arabidopsis

• pierwsza łagiewka wabiona jest przez atraktanty receptywnej synergidy, łagiewka dostaje się do niej, ginie synergida, która tworzyła atraktant, następnie są dwie opcje

  • sytuacja normalna – pomyślna fuzja gamet wyzwala blokadę innych łagiewek, degeneracja drugiej synergidy , zaprzestanie wabienia innych łagiewek, brak atraktantów

  • sytuacja awaryjna – jądra plemnikowe posiadają defekt, nie dochodzi do fuzji komórek, pierwsza synergida zostaje zniszczona, druga jest nadal nienaruszona. Po kilku godzinach (z powodu natychmiastowej blokady ze strony pierwszej łagiewki – czas latencji) druga synergida zaczyna produkować atraktanty, które wabią drugą łagiewkę. Po fuzji atraktanty przestają być produkowane

Zdarzenia po wniknięciu łagiewki do zalążni

• wkiełkowanie łagiewki do zalążni

• wzrost łagiewki na sznureczku

• wyjście łagiewki do mikropyle

• kierowanie łagiewki do synergidy

• wejście łagiewki do synergidy

• zatrzymanie wzrostu łagiewki z synergidzie

• pęknięcie i wyrzut zawartości łagiewki

• degeneracja synergidy

• podwójne zapłodnienie

Efekt podwójnego zapłodnienia

Zalążek	Zygota	Zarodek	Nasienie	Owoc
	Jądro bielmowe	Bielmo
	Osłonki	Łupina nasienna
Ściany zalążni	Owocnia

Strefy w łagiewce pyłkowej

• strefa wierzchołkowa – strefa wzrostu (zawiera materiały budulcowe)

• strefa podwierzchołkowa

• strefa trzonowa

• strefa zamykania (kaloza)

Udział cytoszkieletu we wzroście łagiewki

• ściana komórkowa zbudowana jest z kalozy i celulozy

• pęcherzyki budulcowe niesione są przez filamenty aktynowe

• wzrost zależy zatem od aktyny

• ruch cytoplazmy jest odwrotny do fontannowego

• pęcherzyki uwalniają się w wierzchołku, a w części podwierzchołkowej aktyna depolaryzuje

• część pęcherzyków jest wykorzystywana, a nadmiar zawraca i krąży

Szybkość wzrostu łagiewki i czas trwania fazy progamicznej

• sposoby i tempo wzrostu zależą od gatunku, liczby ziaren na znamieniu, kiełkujących łagiewek, dojrzałości tkanek słupka, temperatury, wilgotności

• szybkość wzrostu – 1 – 3,5mm na godzinę, u kukurydzy ponad 30cm, czas potrzebny do zapylenia waha się od kilku godzin do kilku dni lub miesięcy

WYKŁAD 5

Owoc

• u okrytozalążkowych

• organ powstający z zalążni słupka i czasami innych części, głównie dna kwiatowego

• składa się z owocni i nasion

• znamię przekształca się w twór na końcu owocu, zalążki w nasiona, a ściana zalążni w owocnię

Owocnia (perykarp) składa się z trzech warstw

• egzokarp – powstaje z zewnętrznej części zalążni słupka

• mezokarp – powstaje z miękiszu ściany zalążni słupka

• endokarp – powstaje ze skórki wewnętrznej części zalążni słupka (owocolistka)

Właściwości owocu

• chroni nasiona przed warunkami środowiska w czasie rozsiewania nasion

• pełni funkcję powabni, usprawniając rozsiewanie nasion

• niektóre owoce nie mają jednak nasion i powstają w wyniku partenokaprii (np.: banan)

Klasyfikacja owoców

• ze względu na sposób powstawania

  • owoc właściwy – powstaje wyłącznie ze ścian zalążni słupka

  • owoc rzekomy (szupinkowy) – powstaje nie tylko z zalążni, ale również innych części kwiatu, najczęściej wykształca się z rozrośniętego, mięsistego dna kwiatowego

• ze względu na liczbę zalążni

  • owoce pojedyncze – kwiat pojedynczy, jeden słupek

  • owoc zbiorowy – kwiat pojedynczy, słupkowie

  • owocostan – kwiatostan

• ze względu na postać owocni

  • suche – skórzasta lub zdrewniała owocnia

    • pękające – łuszczyna, torebka, mieszek, strąk

    • niepękające – orzech, ziarniak, niełupka, rozłupnia

  • mięsiste – soczyste, z dużą zawartością wody

    • pojedyncze – jagoda, pestkowiec

    • zbiorowe – wielopestkowiec, wieloorzeszkowiec

Owoce pojedyncze suche

• pękające – dojrzewają i pękają wyrzucając nasiona

  • mieszek – powstaje z jednego owocolistka, otwiera się wzdłuż szwu zrośnięcia (brzusznego) – piwonia, kaczeniec

  • strąk – powstaje z jednego owocolistka, ale otwiera się zarówno wzdłuż szwu zrośnięcia i wzdłuż żyłki środkowej owocolistka, nasiona ułożone są wzdłuż szwu brzusznego – groch, fasola

  • torebka – powstaje z zalążni zrośniętej z kilku owocolistków, może pękać w różny sposób: wzdłuż (całkowicie lub częściowo), okrężnie, lub przez powstanie otworów w ścianie owocni – mak

  • łuszczyna – powstaje z dwóch owocolistków, pęka dwiema klapami, pomiędzy którymi znajduje się tzw. fałszywa przegroda, na której umieszczone są nasiona – rzepak

  • łuszczynka – podobna do łuszczyny, ale krótka i szeroka, o owalnym kształcie – tasznik

• niepękające – gdy dojrzewają nie otwierają się, ale wraz z nasionami odpadają od rośliny

  • orzech – ma owocnię zdrewniałą, zawiera jedno nasiono, z którym owocnia się nie zrasta – leszczyna

  • ziarniak – ma skórzastą owocnię, która zrasta się z łupiną nasienną pojedynczego nasiona – kukurydza, zboża

  • niełupka – ma owocnię skórzastą, niezrastającą się z pojedynczym nasieniem – słonecznik

  • rozłupnia – owoc wielonasienny, rozpada się przy dojrzewaniu na suche, niepękające owocki zwane rozłupkami, odpowiadające poszczególnym owocolistkom i zawierające po jednym nasieniu – kminek

Owoce pojedyncze mięsiste

• jagoda – owoc o mięsistej, niepękającej owocni, zbudowanej z zewnętrznego egzokarpu, oraz mięsistego mezokarpu, który wypełnia całe wnętrze owocu. Cechą charakterystyczną jagody jest brak endokarpu. bezpośrednio w mezokarpie znajdują się liczne (rzadko jedno – awokado) nasiona – porzeczka, kiwi, winorośl, pomidor

• pestkowiec – tylko środkowa część owocni jest mięsista – mezokarp. Egzokarp tworzy skórkę, a wewnętrzny endokarp jest twardy, silnie zdrewniały, zbudowany ze sklerenchymatycznej tkanki – komórek kamiennych. Ta część owocni wraz z zawartymi w niej nasieniem nosi nazwę pestki – śliwa, brzoskwinia

Owoce zbiorowe

• owoc wielopestkowy – z poszczególnych zalążni wielosłupkowego kwiatu powstają drobne pestkowce, które zrastają się ze sobą mięsistymi częściami owocni i osadzone są na jednej wspólnej osi powstałej z dna kwiatowego – malina

• owoc wieloorzeszkowy – liczne zalążnie kwiatu przekształcają się w drobne orzeszki, osadzone pojedynczo na silnie rozwiniętym, mięsistym i soczystym, wypukłym dnie kwiatowym – truskawka

• wielomieszek – z poszczególnych zalążni powstają mieszki osadzone na wspólnym dnie kwiatowym – jaskier

• szupinka – jabłoń

Owocostany

• powstają z przekształcenia całych kwiatostanów

• w ich utworzeniu oprócz zalążni wielu kwiatostanów biorą udział także dno kwiatowe, okwiat, liście kwiatostanowe, oś kwiatostanu

• przykłady – owocostan pestkowcowy figi, jagodostan ananasa

Budowa ziarniaka pszenicy

• okrywa owocowo-nasienna

• bielmo

  • warstwa aleuronowa

  • bielmo skrobiowe

• zarodek (położenie biegunowe)

  • liścień (tarczka)

  • koleoptyl

  • zawiązki liści

  • koleoryza

  • korzeń zarodkowy

  • czapeczka korzenia

Szupinka jabłoni - powstawanie

• grubiejące dno kwiatowe tak mocno inwazyjnie otacza słupek i pręciki, że pochłania je, zostają zalane

• płatki korony i działki kielicha więdną, wystają poza owoc tworząc charakterystyczną strukturę

• czasami poza owoc wystaje zaschnięta szyjka słupka

Owoc pozorny szupinkowy – jabłoń

• skórka - pokryta jest grubą kutikulą, która chroni przed nadmiernym parowaniem, a w miejscu aparatów szparkowych tworzą się przetchlinki

• owocnia rzekoma - jest jadalną, miękiszową częścią jabłka dojrzałego, zbudowana jest z bardzo dużych komórek, dosyć luźno ułożonych, mających cienką, przyścienną warstwę cytoplazmy, oraz bardzo duże wakuole zawierające sok komórkowy. Część jadalna jabłka, od skórki do wiązek, powstaje z dna kwiatowego, pozostała część położona głębiej pod wiązkami powstaje z owocni i jest owocem właściwym.

• wiązka przewodząca – jest ich 10, należą do działek kielicha i płatków korony

• egzokarp i mezokarp – stanowi zewnętrzną, mięsistą część perykarpu, nie różnią się od siebie

• endokarp – tworzy niejadalną, łuskowatą, pergaminową wyściółkę komór nasiennych, zbudowaną z wydłużonych w kierunku osi jabłka sklereidów, o bardzo grubych ścianach.

• komora nasienna - zawiera po dwa wykształcone nasiona

• nasiona – podobnie jak u pestkowców pokryte są dwiema łupinami: wewnątrz biała, trudno przepuszczalna dla gazów i regulująca ich wymianę, oraz zewnętrzna brązowa, chroniąca nasienie przed urazami mechanicznymi

• szypułka – stanowi dolną część owocu

• wgłębienie kielichowe – zawiera zaschnięte pręciki i znamię słupka, stanowi górną część owocu

Zalążek, a nasienie

• osłonki łupina nasienna

• ośrodek obielmo

• jądra biegunowe bielmo

• komórka jajowa zarodek (liścienie, merystem pędu, hipokotyl, korzeń zarodkowy)

Rozwój bielma

• może powstać bez zapłodnienia (w wyniku zapylenia napromieniowanym pyłkiem, lub autonomicznie, czyli naturalnie). Dzieje się tak u jabłoni, kakaowca, ogórka, kiwi

• autonomiczny rozwój bielma zachodzi u bawełny, jęczmienia, ryżu, Melandrium album, Helloborus niger, Lupinus luteus, Brassica napus

Typy bielma

• nuklearne – inaczej jądrowe, Leguminaceae, Graminaceae, Cucurbitaceae, powstaje w postaci skupień w części zewnętrznej, początkowo nie obserwuje się procesu cytokinezy

• celularne – inaczej komórkowe, Plantaginaceae, Slantaginaceae, po każdym podziale jądra dochodzi do cytokinezy i wytworzenia ściany

• helobialne – inaczej pośrednie, Helobiaceae, Trisium, Junkus, powstaje jedna ściana, naprzemiennie występują cykle z cytokinezą i formowaniem ściany i cykle bez tych procesów.

Rodzaje nasion

• bielmowe – Ricinus communis (rącznik)

• obielmowe – Beta vulgaris (burak)

• bezbielmowe – Pisum sativum (groch)

Zakładanie się ścian w bielmie

• triploidalne bielmo pierwotne zlokalizowane jest na proksymalnym końcu komórki centralnej

• powstaje wielojądrowe cenocytowe bielmo – peryferycznie zlokalizowane jądra otaczają centralną wakuolę

• dochodzi do cyklu mitoz zachodzących falami, w czasie ich trwania można dostrzec wrzeciona cytokinetyczne między jądrami siostrzanymi i niesiostrzanymi

• tworzy się radialny system mikrotubul (RMS)

• tworzą się ściany komórkowe prostopadłe do warstwy komórek położonych poniżej, prowadzi to do powstania alweoli

• proces powtarza się, prowadzi to do powstania wielu pokładów warstw bielma

Endosperma – bielmo

• u większości roślin jest triploidalne, występuje u roslin z woreczkiem zalążkowym typu Polygonium, Alium, Drusa i Adoxa

• u pozostałych typów woreczków waha się w granicach 2-15n

• wiąże się to z występowaniem różnej liczby jąder biegunowych, lub pewnymi procesami wtórnymi, które zachodzą w toku różnicowania się woreczka zalążkowego.

• oenothera – gametofit żeński wytwarza tylko jedno jądro biegunowe, które łącząc się z komórką plemnikową daje diploidalne (2n) jądro endospermy

• penea, plumbago – gametofit żeński wytwarza cztery jądra biegunowe, stąd endosperma jest pentoidalna (5n), podobnie u Frutillaria i Plumbagella

Haustoria bielmowe (endosporialne)

• wypustki w kształcie ssawek przerastające tkanki zalążka

• pobierają substancje odżywcze i przenikają do tkanki przewodzącej

• bielmo jądrowe jest płynne i soczyste, bielmo komórkowe jest twarde i zmączniałe

• u części roślin występują poliploidalne jądra haustoriów (96-384C DNA)

  • niecierpek

  • dynia

  • tocia

Sposoby rozsiewania się owoców i nasion

• samorzutne – samosiewne (autochoria)

  • wyrzucanie

    • w skutek zmiany turgoru – niecierpek

    • w skutek działania włókien mechanicznych – motylkowe

  • wysypywanie – mak

• z udziałem czynników zewnętrznych – obcosiewne (allochoria)

  • wiatr – nasiona małe, miękkie (orchidea), nasiona i owoce zaopatrzone w aparaty lotne, skrzydełka lub puch (mniszek)

  • woda – owoce i nasiona zawierają w tkankach dużo powietrza, dzięki czemu nie toną (lilia wodna)

  • zwierzęta – obecność haczyków, zadziorków, elementów czepnych (rzepak), zjedzone nasiona mogą ulec strawieniu i być wydalane z kałem (borówka)

  • człowiek – nieświadomie, jak zwierzęta, świadomie przez siew i handel, transport

Obcosiewność

• zoochoria

  • myrmekochoria – mrówki

  • ornitochoria – ptaki

• antropochoria

  • etolochoria – świadome rozsiewanie

  • speirochoria – chwasty w uprawach

  • agochoria – rozprzestrzenianie z produktami spożywczymi, paszami

• hydrochoria – grążel, palma kokosowa

• anemochoria – mlecz, klon, jesion

Samosiewność

• blastochoria – rdest ptasi, orzech ziemny, trzcina pospolita – długie organy wegetatywne powodują rozprzestrzenienie nasion na kilka metrów, dotyczy to również roślin geokarpicznych (nasiona dojrzewają pod ziemią)

• ballochoria – niecierpek pospolity, tryskawiec – mechanizm eksplozyjny warunkuje rozrzut nasion, rozrzut w granicach 3-16m.

• barochoria – pod wpływem działania grawitacji rośliny zrzucają organy rozmnażania

  • owoce lub nasiona – kasztan, dąb

  • komórki wegetatywne – lilia, rdest

  • zarodniki – mszaki, porosty

• herpochoria – na skutek ruchów pełzających dochodzi do rozprzestrzeniania nasion – iglica, szczotlicha, ostnica – nasiona są śrubowato wygięte, powoduje to samorzutne wkręcanie się w glebę

Fazy kiełkowania

• imbibicja – wzrost oddychania, bardzo duży pobór wody, pęcznienie

• faza kataboliczna – mobilizacja substancji zapasowych, synteza fitohormonów, pękanie łupiny nasiennej

• faza anaboliczna – rozwój liści, fotosynteza, produkcja

Czynniki kiełkowania

• światło – u roślin fotoblastycznych z fotoblastia dodatnią udział światła jest niezbędny do zainicjowania procesu kiełkowania. Tylko 5% nasion nie jest wrażliwe na światło w procesie kiełkowania, jest to więc fotoblastia ujemna (len, zboża, motylkowe)

• fitochrom – jest receptorem światła niebieskiego – dla koneserów polecam wykłady z Sygnalizacji

• cytokiny – stymulują kiełkowanie

• gibereliny – stymulują kiełkowanie

• kwas abscysynowy – hamuje kiełkowanie

• temperatura

• woda

• tlen

Rodzaje kiełkowania

• epigeiczne – nadziemne – pojawia się korzeń zarodkowy, wydłuża się hypokotyl wynosząc liścienie ponad ziemię

• hipogeiczne – podziemne – pojawia się korzeń zarodkowy, wydłuża się epikotyl, liścienie pozostają pod ziemią

WYKŁAD 6

Tworzenie się zarodka

• bielmo rozwija się prawidłowo – powstaje bielmo jądrowe, następnie bielmo celularne

• bielmo rozwija się nieprawidłowo – nie tworzy się bielmo komórkowe

Rozwój

• początkowy podział

  • prazarodek 2 komórkowy (komórka bazalna + apikalna)

  • zarodek 4 komórkowy (kwadrant)

  • zarodek 8 komórkowy (oktant)

  • itd.

• kolejnym stadium jest stadium globularne, zawieszone jest na suspensorze, które zakończone jest tzw. haustorium (odpowiada za pobieranie pokarmu z otaczających tkanek)

• u Arabidopsis początkowo powstaje zygota, następnie dzieli się na komórkę bazalną i apikalną, tworzy się kwadrant, następnie stadium złożone z 6-12 komórek, kolejne stadium globuli, w wyniku tych procesów z komórek powierzchniowych powstaje dermatogen (skórka), a kolejnym stadium jest stadium torpedy

Suspensor

• syntetyzuje hormony – auksyny i gibereliny

• stanowi drogę transferową dla substancji z bielma lub innych tkanek (np.: obielma) do zarodka

• u większości gatunków zarodek zatopiony jest w bielmie

Budowa zarodka po stadium globuli

• komórki inicjujące powstanie czapeczki (hypophysis)

• komórki inicjujące korę pierwotną korzenia

• dermatogen (praskórka)

• peryblem (miękisz)

• plerom (walec osiowy)

Typy embriogenezy

• onagrad – komórka bazalna + komórka apikalna tworzą zarodek (Onagraceae, Crucifereae, Ramunculaceae, Liliaceae)

• astegrad – duża część zarodka powstaje z komórki bazalnej, reszta z komórki apikalnej (Asteraceae, Vitaceae)

• solarad – z komórki bazalnej powstaje tylko suspensor (Solanaceae, Papaveraceae, Lineaceae)

• henopodiad– komórka bazalna i komórka apikalna w równym stopniu tworzą zarodek (Chenopodiaceae)

• cariophylad – suspensor powstaje tylko z komórki apikalnej (Caryophylaceae)

• piperad – podział zygoty może być skośny (nieliczne rodziny)

Schemat podziałów

• tworzy się komórka bazalna i komórka apikalna

• z komórki bazalnej powstaje suspensor, z komórki apikalnej dwukomórkowy zarodek

• tworzy się kwadrant

• tworzy się oktant

• tworzy się stadium globularne (wytworzenie prakutikuli i domeny centralnej) o symetrii promienistej

• tworzy się stadium sercowate, ilość podziałów zostaje zmniejszona, dominuje rozrost komórek, pojawia się symetria dwuboczna, tworzy się oś pędowo-korzeniowa

• powstaje epikotyl, liścienie, stożek wzrostu łodygi, hypophysis (korzeń + czapeczka)

• tworzy się stadium torpedy

Hormony embriogenezy

• IAA - kwas indoilo-3-octowy – auksyna

  • odpowiada za I etap embriogenezy

  • warunkuje polarność zarodka

  • ułatwia wzrost komórek

  • umożliwia szybki wzrost ścian komórkowych

  • bierze udział we wszystkich typach organogenezy

  • umożliwia zjawisko dominacji wierzchołkowej

• ABA – kwas abscysynowy

  • odpowiada za środkowy etap embriogenezy

  • wysoki poziom ABA w komórkach powoduje zahamowanie podziałów komórkowych i rozpoczęcie procesów wzrostowych

  • powoduje inicjację metabolizmu związanego syntezą i kumulowaniem materiału zapasowego

  • powoduje stopniowe odwodnienie zwiększając tolerancję protoplastu na suszę

  • wprowadza nasienie w stan spoczynku

Embriogeneza, a regulacja genomu

• komórki apikalne zawierają dużo rybosomów, gęstą cytoplazmę i słabo rozbudowane ER

• suspensor zawiera mało rybosomów, rzadką cytoplazmę i rozbudowane SER

• udział hormonów w tym procesie jest ważny, ale nie do końca poznany

• w regulację włączają się czynniki transkrypcyjne i epigenetyka

• wszystkie wymienione czynniki prowadzą do histogenezy

• auksyny odpowiadają za różnicowanie zarodka, są jedynymi hormonami transportowanymi u rośliny polarnie, dopiero w zarodku wnika pomiędzy poszczególne komórki, wynika to z polarności błony, a więc różnicy w rozlokowaniu transporterów (dokomórkowe i pozakomórkowe)

• auksyny aktywują auksynozależne czynniki transkrypcyjne

• inhibitory czynników transkrypcyjnych łączą się z auksynami i zostają naznaczone do degradacji w proteasomach 26s

• zróżnicowanie stężenia auksyn prowadzi do powstania lokalnych gradientów stężenia

Embriogeneza roślin, a zwierząt – różnice

• u zwierząt mają miejsce ruchy morfogenetyczne

• u roślin ściana uniemożliwia swobodną migrację komórek

• kinazy map biorą u roślin udział w reorganizacji cytoszkieletu warunkując rozwój wrzeciona podziałowego