VODA IN MINERALNA HRANILA - voda in rastlinska celica - vodna bilanca rastline, transport vode - mineralna prehrana - transport in translokacija (razporejanje) BIOKEMIJA IN METABOLIZEM - svetlobne in temotne reakcije fotosinteze - fiziologija in ekofiziologija fotosinteze - transport po floemu - dihanje - asimilacija mineralnih hranil - sekundarni metabolizem RAST IN RAZVOJ - rast, razvoj in diferenciacija - vpliv rdeče in modre svetlobe na rastline - rastlinski rastni hormoni - vpliv okoljskih dejavnikov na rast in razvoj - fiziologija stresa
RAST IN RAZVOJ Univerza v Ljubljani Biotehniška fakulteta Oddelek za agronomijo Agronomija - UNI 2005/06
RAST povečanje velikosti (volumen, sveža masa, suha masa, število celic ) RAZVOJ = rast in diferenciacija celic v tkiva, organe, organizem = MORFOGENEZA = rezultat različnih vzorcev celičnih delitev in rasti celic DIFERENCIACIJA = proces specializacije celic, nastanek različnih tipov celic z različnimi strukturnimi in funkcijskimi lastnostmi. Agronomija - UNI 2005/06
Rast in razvoj na celičnem nivoju celične delitve celična rast Agronomija - UNI 2005/06
Celične delitve in celična rast sta povezana pri vzdrževanju optimalnega celičnega volumna.če delitve prehitevajo celično rast, se celice progresivno manjšajo in na koncu propadejo. Velikost celic določa genotip in zunanji dejavniki (npr. razpoložljivost hranil) Agronomija - UNI 2005/06
Celični cikel poliploidna celica diploidna celica G1 - rast celice S - podvajanje DNA interfaza G2 - priprava na delitev profaza metafaza anafaza mitoza telofaza Agronomija - UNI 2005/06
Profaza kromosomi kondenzirani, mikrotubuli v preprofaznem traku razporejeni ekvatorialno, okoli jedrne ovojnice se oblikuje profazno vreteno Prometafaza preprofazni trak in jedrna ovojnica se razgradita, kinetohore, mitotsko vreteno se veže na kromosome MITOZA Metafaza mitotsko vreteno je popolnoma stvorjeno, krmosomi razvrščeni v ekvatorialni ravnini Anafaza kromatide potujejo proti poloma delitvenega vretena Citokineza kortikalni mikrotubuli spet prisotni, fragmoplast izgrajen tvorba celične stene med hčerinskima celicama Telofaza tvori se jedrna ovojnica, kromosmi se začnejo dekondenzirati, mitotsko delitveno vreteno se razgrajuje, tvorba fragmoplasta
kortikalni mikrotubuli jedro mikrotubuli Interfaza mitotsko vreteno preprofazni trak Dve hčerinski interfazni celici profazno vreteno Profaza Metafaza
mikrotubul sekretorni vezikel matriks mreža tubulov in veziklov nova celična stena
antiklina delitev periklina delitev Agronomija - UNI 2005/06
Rastlinski hormoni in kontrola celičnega cikla saharoza avksini citokinini giberelini abscizinska kislina citokinini Agronomija - UNI 2005/06
Polarnost Polarnost = fiziološka, lahko pa tudi morfološka neenakost nasprotnih polov celice polarnost rastlinskih organov polarnost na nivoju rastline Polarnost celičnega transporta neenakomerno nameščeni proteini, ki sodelujejo v transportu preko membrane neenakomerna razporeditev ionov v celici električni gradient vpliv na transport in kopičenje drugih nabitih delcev Agronomija - UNI 2005/06
Zasnova polarnosti GRADIENT ZUNANJEGA DRAŽLJAJA NEPOLARNA CELICA - zigota - spore - pelodna zrna temperatura svetloba težnost ph koncentracija ionov elektro-kem. potencial POLARNA CELICA asimetri čna razporeditev ionskih prenašalcev inekvalne delitve diferenciacija Agronomija - UNI 2005/06
Polarnost - zigota alge Fucus zigota je nepolarna, pod vplivom svetlobe postane v nekaj urah polarna, polarnost lahko v omejenem času (10-14h) s spremembo smeri svetlobe obrnemo. Po tem času je polarnost stabilna. Na neosvetljenem delu se bo začel razvijati rizoid. Sledi asimetrična delitev rizoidna celica, talusna celica Mehanizem: prerazporeditev Ca 2+ kanalčkov (6-8h), oz njihovo koncentriranje na neosvetljenem delu celice transcelularni tok (100 pa) praznjenje veziklov Golgijevega aparata na delu z več Ca 2+ (aktinski filamenti) stabilizacija polarnosti pomen celične stene Agronomija - UNI 2005/06
alga Fucus sp. svetloba fiksacija polarnosti celična stena polarizirana zigota nepolarizirana zigota senčena polovica iztok Ca 2+ ionov sproščanje vsebine veziklov aktinski mikrofilamenti nastajanje rizoida celična delitev labilna polarnost embrio rizoid Agronomija - UNI 2005/06
Embriogeneza enocelična zigota večcelični zarodek (embrio) rastline embrionalni razvoj poteka v embrionalni vrečki za razliko od živali se tekom embriogeneze pri rastlinah ne razvijejo tkiva, izoblikuje se rudimentarno rastlinsko telo z embrionalno osjo in kličnima listoma (dvokaličnice). Večina struktur, ki gradijo odraslo rastlino, se razvije kasneje z aktivnostjo meristemov Agronomija - UNI 2005/06
Embriogeneza Med embriogenezo se izoblikujejo trije osnovni razvojni vzorci: radialni vzorec organizacije (poznan kasneje pri rastlinskih organih) izoblikovanje osi apikalno-bazalno oblikovanje primarnih meristemov (apikalni in bazalni protomeristem še nista aktivna, kasneje proizvajata z delitvami večino celic rastlinskega telesa) Agronomija - UNI 2005/06
Embriogeneza Arabidopsis thaliana Arabidopsis thaliana (navadni repnjakovec) Faze embrionalnega razvoja: globularna faza sferična srčasta faza - zasnujeta se primordija kličnih listov torpedo faza - nadaljnji razvoj kličnih listov, daljšanje osi embria Agronomija - UNI 2005/06
Arabidopsis thaliana (navadni repnjakovec)
Faze embrionalnega razvoja globularna faza srčasta faza torpedo faza zrel embrio Agronomija - UNI 2005/06
Proučevanje embrionalnega razvoja pri navadnem repnjakovcu (Arabidopsis thaliana), ki ima majhen genom. Uporaba mutacij: gurke brez kličnih listov fackel brez srednjega dela monopteros brez hipokotila in korenin gnom brez korenin in kotiledonov shootmeristemless (stm) brez apikalnega meristema rootmeristemless (rml1, rml2) slabo aktiven kor. meristem monopteros divji tip hobbit
CELIČNI CIKEL poliploidna celica diploidna celica G1 - rast celice S - podvajanje DNA interfaza G2 - priprava na delitev profaza metafaza anafaza mitoza telofaza
izvorna celica hčerinska celica celica, ki vstopa v diferenciacijo diferencirana celica
Meristemi (embrionalna ali tvorna tkiva) MERISTEMI so tkiva, v katerih imajo celice trajno sposobnost delitve primarni meristemi: apikalni meristem glavnega poganjka in koreninskega vršička, izoblikujeta se med embriogenezo sekundarni meristemi: aksilarni (zalistni) meristemi, lateralni (žilni in plutni kambij), interkalarni meristemi (na bazi internodija nekaterih enokaličnic), baza lista pri travah Agronomija - UNI 2005/06
Meristematska celica Agronomija - UNI 2005/06
mladi list apikalni meristem poganjka apikalni meristem korenine koreninska čepica
globularna faza srčasta faza torpedo faza zrel embrio Agronomija - UNI 2005/06
listni primordij tunika (L1, L2 plast) korpus (L3 plast) periferni meristem meristem stržena Agronomija - UNI 2005/06
Poganjek semenk vršni meristem zametki listov - primordiji list pazdušni (aksilarni) brst Agronomija - UNI 2005/06
listna nožnica zgornjega lista pulvinus listne nožnice bazalni meristem lista nodij listna ploskev internodij listna nožnica Agronomija - UNI 2005/06
Celične delitve in celična rast sta povezana pri vzdrževanju optimalnega celičnega volumna.če delitve prehitevajo celično rast, se celice progresivno manjšajo in na koncu propadejo. Velikost celic določa genotip in zunanji dejavniki (npr. razpoložljivost hranil) Agronomija - UNI 2005/06
Celična stena in rast celice
Agronomija - UNI 2005/06
Strukturne komponente celične stene Fibrilarni polisaharidi celuloza mikrofibrile (1-4)β-D-glukan Polisaharidi matriksa pektini homogalakturonan rhamnogalatorunan arabinan galaktan hemiceluloze ksiloglukan ksilan glukomanan arabinoksilan kaloza Agronomija - UNI 2005/06
Gradniki celične stene Agronomija - UNI 2005/06
Celuloza Agronomija - UNI 2005/06
Sintaza celuloze encim odgovoren za sintezo celuloze Agronomija - UNI 2005/06
Sinteza celuloze nastajanje celuloznih mikrofibril Agronomija - UNI 2005/06
mikrotubuli celulozne mikrofibrile Agronomija - UNI 2005/06
plazmalema sekretorni vezikel transportni vezikel celulozna mikrofibrila rozeta plazmalema celuloza kaloza Golgijeva cisterna pektini glikani (ksiloglukan, glukuronoarabinoksilan, glukan, galaktomanan) glikozilacija proteinov zrnati endoplazmatski retikulum proteini cel. stene encimi (hidrolaze, esteraze, peroksidaze, polisaharid sintaze)
Celična rast omejena na en del celice (tip growth, npr. koreninski laski, pelodni mešiček) celična rast na račun zlivanja sekretornih veziklov s plazmalemo Agronomija - UNI 2005/06
Agronomija - UNI 2005/06
Celična rast omejena na en del celice (tip growth, npr. koreninski laski, pelodni mešiček) enakomerna rast (diffuse growth) Agronomija - UNI 2005/06
Razporeditev celuloznih fibril določa, kako bo celica rastla Agronomija - UNI 2005/06
Celična rast mehanizem rasti rast celice (sprejem vode) po pravilu spremlja intenziven sprejem osmotsko aktivnih snovi (kalij, sladkorji). Če tega sprejema ni, Ψs Ψp rast se ustavi! sprejem vode Ψp (turgor) raztezanje celične stene Agronomija - UNI 2005/06
relativna hitrost rasti (r): r 1 V dv dt = L ( ΔΨ) = L [( Ψs + Ψp) zunaj ( Ψs + Ψp) znotraj] V... volumen celice L... hidravlična prevodnost membrane za vodo ΔΨ... razlika med vodnim potencialom zunaj / znotraj celice obseg rasti: 10 100 x povečanje volumna Agronomija - UNI 2005/06
Celična rast - mehanizem r ( Υ) = Φ Ψp Φ... razteznost celične stene Υ... minimalni pritisk (turgor), potreben za celično rast Povečanje razteznosti celične stene (stress relaxation) elastične in plastične lastnosti stene ph hitrejša rast (vpliv avksina) ekspanzini proteini, ki rahljajo vodikove vezi med polisaharidi celične stene ksiloglukanendotransglikozilaza Agronomija - UNI 2005/06
Povečanje razteznosti celične stene (stress relaxation)
ksiloglukanendotransglikozilaza ekspanzini glikani celulozne mikrofibrile
etiolirana rastlina ph meritev raztezka eksapnzin izolacija proteinov cel stene ph 7 ph 4.5 temp.deakt +ph 4.5 EKSPANZIN dolžina (mm) dolžina (%) kontrola čas (h) dodatek ekspanzina
Z rastjo celice se morajo hkrati nalagati v steno dodatni elementi stene Agronomija - UNI 2005/06
Prenehanje rasti Stara celična stena je toga (rigidna). Rast ni več možna. Vzroki: zmanjšanje aktivnosti procesov, ki rahljajo celično steno več povezav med gradniki celične stene spremenjena sestava celične stene Agronomija - UNI 2005/06
RAST determinirana (zaključena list, cvet, plod) nedeterminirana (nezaključena vegetativni poganjek, korenina) nedeterminirani poganjek se ob prehodu iz vegetativne faze v reproduktivno pretvori v determiniranega
CELIČNA DIFERENCIACIJA celica ne nadaljuje celičnega cikla, če izstopi iz cikla pred podvajanjem DNA, bo diploidna, če ne tetraploiodna ali celo poliploidna (nadaljnje podvajanje kromosomov brez celične delitve). DIFERENCIACIJA: proces, v katerem celica pridobi metabolne, strukturne in funkcijske lastnosti, ki niso lastne njeni izvorni celici pri rastlinah je to pogosto reverzibilen proces, diferenciacija / dediferenciacija totipotetnost celic
RAST IN RAZVOJ NA CELIČNEM NIVOJU CELIČNI CIKEL poliploidna celica diploidna celica G1 - rast celice S - podvajanje DNA interfaza G2 - priprava na delitev profaza metafaza anafaza mitoza telofaza
Celična diferenciacija - pomembnejši dogodki izmenjava signalov, percepcija signalov izražanje genov, ki določajo identiteto celice izražanje genov, ki so potrebni za specializirane aktivnosti ali posebno strukturo celice aktivnost produktov teh genov, struktura funkcija
apikalni meristem listni primordij prokambij osnovni meristem prokambij protoderm epidermis floem ksilem stržen korteks žilno tkivo
apikalni meristem listni primordij list nodij interdnodij aksilarni brst fitomera listni primordij nodij protoderm apikalni meristem primordij brsta
mladi list aksilarni brst internodij nodij nodij internodij
list nodij internodij fitomera brst korenina
mesto nastanka naslednjega primordija novonastali primordij ima radialno simetrijo primordij se podaljšuje v proksimo-distalni osi primordij postaja ploščat, razvija se dorziventralna os
Hippuris vulgaris navadna smrečica Listni primordiji so pri navadni smrečici prstanasto razporejeni in nastajajo s periklinimi delitvami v drugem sloju tunike
Razporeditev listnih primordijev je genetsko določena. Število in razporeditev listnih primordijev okoli stebla določa filotaksijo (kako so nameščeni na steblu listi)
Razvoj lista - faze organogeneza - zasnova listnega primordija razvoj različnih regij v okviru lista diferenciacija poteka vzdolž treh osi: dorzi-ventralne osi proksimalno-distalne osi (apikalno bazalne osi) lateralne osi differenciacija celic in tkiv L1 epidermis, laski, celice zapiralke L2 mezofil L3 celice žil in žilnega ovoja
suberinizacija in lignifikacija zmanjšujeta prevodnost izoblikovan (diferenciran) metaksilem začetek suberinizacije in lignifikacije endodermisa centralni cilinder - žila primarna skorja (korteks) diferenciacija protoksilema cona podaljševanja diferenciacija primarnega floema meristematska cona koreninska čepica
Razvoj korenin stranski (lateralni) koreninski primordij pericikel celice skorje epidermis izraščajoča stranska korenina koreninski lasek cona diferenciacije (maturating zone) izoblikovani elementi ksilema diferenciacija endodermalnih celic začetek diferenciacije prvih elementov ksilema cona podaljševanja celic (elongacija) meristematska cona maksimalna hitrost podaljševanja celic začetek diferenciacije prvih elementov floema prenehanje celičnih delitev v večini celičnih plasti najbolj intenzivne celične delitve koreninska čepica speči center (quiscent center)
Ex - neizgrajen eksodermis En - endodermis s Casparijevo progo (CB) P - protoksilem (izgrajen) EM - zgodnji metaksilem (izgrajen) LM - neizgrajen pozni metaksilem Ex - izgrajen eksodermis endodermis z asimetrično odebeljenimi celičnimi stenami, izgrajen protoksilem in zgodnji metaksilem, neizgrajen pozni metaksilem Isto, kot pri (B) z izgrajenim poznim metaksilemom Prečni rez primarne korenine koruze (Zea mays) v različnih razvojnih stadijih, UV mikroskopija, berberinm, analinsko modro, tuloidinsko modro.
Diferenciacija trahej - za vzorec odebelitev cel. stene so odgovorni mikrotubuli normalna rast + kolhicin - kolhicin nenormalne odebelitve cel stene normalna cel stena
kopičenje hidrolitičnih encimov, sinteza cel. stene RNaze DNaze razgradnja tonoplasta RNaze DNaze razgradnja cel. org. avksini citokinini ranitev Ca 2+ / CaM cisteinske proteaze brasinosteroidi proteaze sekundarna cel. stena proteaze izolirane mezofilne celice diferencirane traheje
Rastlinske tkivne kulture
TKIVNE KULTURE: gojitev rastline, organa, tkiva ali posamezne celice na definiranih trdnih ali tekočih hranilnih podlagah ali gojiščih v laboartorijskih, sterinlih razmerah - in vitro Lastnosti, ki omogočajo delo z rastlinami in vitro totipotentnost - potencial vsake posamzne celice, da se na podlagi svoje enovite genske informacije razvije v popolno rastlino delitev, rast in diferenciacija morfogeneza
Značilnosti tkivnih kultur heterotrofnost rastlin sterilnost sestava gojišč (makro-, mirkoelementi, ogljikovi hidrati, aminokisline, vitamini, rastlinski rastni regulatorji) natančna kontrola zunanjih dejavnikov
Tipi rastlinskih tkivnih kultur kultura celih rastlin, ki zrastejo iz semen ali embrijev kultura izoliranih embrijev (skrajšanje dormance, žlahtnenje) kultura izoliranih organov vršni meristem list steblo korenine plod deli cveta (antere, ovariji kulture haploidov) kultura kalusa kultura protoplastov
Diferenciacija v tkivni kulturi neorganizirana in organizirana rast organogeneza - razvoj organov (npr adventivni brsti, korenine embriogeneza - razvoj embrijev somatska embriogeneza (vegetativne celice embrioid) razvoj cele rastline Dejavniki diferenciacije dejavniki okolja (svetloba, temperatura) fizik. kem dejavniki (ph gojišča, koncentracija ionov, mineralna hranila, organske snovi, posebej rastni hormoni)
Tehnološki pomen tkivnih kultur raziskave celic (diferenciacija, biokemija in patologija) modifikacije in žlahtnenje rastlin vzgoja zdravih rastlin (npr. eliminacija virusov - kultura meristema in vršička s termoterapijo) hitro razmnoževanje (mikropropagacija) shranjevanje denine pridobivanje naravni produktov
diski listov, pripravljeni za transformacijo z bakterijo Agrobacterium
Kalusne kulture in proizvodnja sek. metabolitov
Berberis wilsoniae in suspenzisjka kultura