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Jahrbuch 2009/2010 | Jürgens, Gerd | Die Anfänge der Embryonalentw icklung von Arabidopsis
Die Anfänge der Embryonalentwicklung von Arabidopsis
Early embryogenesis of Arabidopsis
Jürgens, Gerd
Max-Planck-Institut für Entw icklungsbiologie, Tübingen
Korrespondierender Autor
E-Mail: [email protected]
Zusammenfassung
In der Embryonalentw icklung w ird die Körperorganisation der erw achsenen Pflanze in ihren Grundzügen
etabliert. Zuerst teilt sich die befruchtete Eizelle (Zygote) in eine apikale embryonale Zelle und eine basale
extra-embryonale Zelle, die sich jew eils w eiter teilen. Hier w ird beschrieben, w ie die embryonalen Zellen als
Antw ort auf das Pflanzenhormon Auxin ein Signal erzeugen, das die benachbarte extra-embryonale Zelle zur
Bildung des embryonalen W urzelmeristems anregt. Weiter w ird skizziert, w ie die Entstehung des anfänglichen
Unterschieds zw ischen apikaler und basaler Zelle untersucht w ird.
Summary
The basic features of the body organisation of adult plants are established during embryogenesis. This
process starts from the fertilised egg cell (zygote), w hich divides into an apical embryonic cell and a basal
extra-embryonic cell. This report describes how the embryonic cells generate, in response to the plant
hormone auxin, a signal that stimulates the adjacent extra-embryonic cell to initiate the formation of the
embryonic root meristem. In addition, attempts to study the origin of the very first difference betw een apical
and basal cell fate are briefly discussed.
Besonderheiten der pflanzlichen Embryonalentwicklung
Vielzellige Organismen entw ickeln sich aus einer einzelnen Zelle (Zygote), die durch die Befruchtung der Eizelle
durch ein Spermium entstanden ist. W ährend der Embryonalentw icklung entstehen aus der Zygote durch
Zellteilung viele Zellen, die sich zu verschiedenen Zelltypen differenzieren. Diese Zelltypen sind in einem
räumlichen Muster angeordnet, das die charakteristische Körperorganisation des erw achsenen Organismus
zumindest
in
den
Grundzügen
darstellt.
Die
molekularen
Mechanismen
der
Musterbildung
in
der
Embryonalentw icklung von Tieren, w ie zum Beispiel Drosophila, sind im Detail analysiert w orden. Im Gegensatz
dazu ist erst in Ansätzen verstanden, w ie die Grundzüge der Körperorganisation von Pflanzen, w ie
beispielsw eise Arabidopsis, in der Embryonalentw icklung entstehen. Es ist anzunehmen, dass daran andere
molekulare Mechanismen beteiligt sind, da Pflanzen und Tiere in der Evolution unabhängig voneinander aus
einzelligen Vorfahren hervorgegangen sind.
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Die Embryonalentw icklung der Blütenpflanzen w eist einige Besonderheiten auf. So gibt es eine doppelte
Befruchtung, bei der zw ei genetisch
identische
w eibliche
Keimzellen
(Eizelle, Zentralzelle) in
einer
Samenanlage von zw ei genetisch identischen Spermien eines Pollens befruchtet w erden. Die befruchtete
Zentralzelle bringt das Endosperm hervor, das zur Ernährung des Embryos beiträgt. Die befruchtete Eizelle
bildet nicht nur den Embryo, sondern auch eine extra-embryonale Struktur (Suspensor), die den Embryo im
mütterlichen Gew ebe der Samenanlage verankert. Die Eizelle verfügt nur über einen geringen Vorrat an
Proteinen,
die
für
die
Embryonalentw icklung
verw endet
w erden
könnten.
Die
Entw icklung
des
Pflanzenembryos hängt daher in hohem Maße von der im Embryo selbst stattfindenden Proteinsynthese ab.
Der Ausfall einzelner essentieller Proteine mit allgemeinen zellulären Funktionen (house keeping) kann daher
zum Abbruch der Embryonalentw icklung führen, w ährend dies bei Drosophila w egen des mütterlichen Vorrats
an Proteinen im Ei im Allgemeinen nicht der Fall ist.
Pflanzenzellen sind von einer Zellw and umgeben, w eshalb sie ihren Entstehungsort nicht verlassen können.
Änderungen in der Gestalt des sich entw ickelnden Embryos kommen dadurch zu Stande, dass einzelne Zellen
oder Zellgruppen sich unterschiedlich schnell teilen und dass die Orientierung der Zellteilungsebene reguliert
w ird. Im Vergleich zum gleichaltrigen Embryo anderer Pflanzenarten besteht der Embryo von Arabidopsis
thaliana aus w enigen Zellen. Damit verbunden ist ein sehr regelmäßiges Zellteilungsmuster, das auf eine frühe
Festlegung von Zellschicksalen hinzudeuten scheint [1]. De facto hängt das Schicksal einer Zelle jedoch nicht
von ihrer Herkunft, sondern von ihrer Lage im sich entw ickelnden Embryo ab.
Frühe Embryonalentwicklung von Arabidopsis thaliana
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Ze llte ilungsm uste r und Ze llschick sa le in de r frühe n
Em bryoge ne se . A Die Zygote stre ck t sich in de r zuk ünftige n
a pik a l-ba sa le n Achse und te ilt sich in e ine k le ine re a pik a le
e m bryona le (a ) und e ine größe re ba sa le e x tra -e m bryona le
Ze lle (b). Die se be ide n Ze lle n unte rsche ide n sich in de r
Ge ne x pre ssion von Mitglie de rn de r W O X-Fa m ilie von
Tra nsk riptionsfa k tore n. B Durch cha ra k te ristische Ze llte ilunge n
e ntste he n da s 8-Ze ll-Sta dium de s P roe m bryos und de r fä dige
Suspe nsor (su). Die je tzt ve rä nde rte n Ex pre ssionsdom ä ne n
ve rschie de ne r W O X-Ge ne e ntspre che n ve rschie de ne n
R e gione n de s Em bryos (A, a pik a l; C , ze ntra l; B, ba sa l). C Im
Globula rsta dium we rde n zusä tzlich die Ge ne W US (rot) und
W O X5 (bra un) e x prim ie rt, die spä te r die Sta m m ze llnische n
de s Spross- und de s W urze lm e riste m s re gulie re n. Die
Ze llte ilungse be ne de r Zygote ist he llbla u, die ihre r a pik a le n
Tochte rze lle ge lb m a rk ie rt.
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Die Zygote von Arabidopsis thaliana streckt sich in der zukünftigen apikal-basalen Achse und teilt sich
asymmetrisch in eine kleinere apikale und eine größere basale Zelle (Abb. 1). Die apikale Zelle w ird durch
charakteristische Zellteilungen mit w echselnden Orientierungen den Proembryo (das heißt den Embryo ohne
die W urzelspitze) hervorbringen, die basale Zelle durch w iederholte horizontale Zellteilungen einen fädigen
extra-embryonalen Suspensor, der den Embryo in der Samenanlage verankert. Nur die oberste Zelle des
Suspensors
(B, Abb. 1) w ird sekundär ein embryonales
Schicksal annehmen und die
Bildung des
W urzelmeristems initiieren. Damit ist das Muster entlang der apikal-basalen Polaritätsachse mit den
Hauptregionen apikal (A), zentral (C), basal (B) und Suspensor (su) etabliert. Quer zur apikal-basalen Achse
w ird ein radiales Muster aus konzentrisch angelegten Gew ebeschichten gebildet [1].
Der Unterteilung der apikal-basalen Achse in der frühen Embryogenese entsprechen Expressionsdomänen von
Mitgliedern der W OX-Genfamilie, die Transkriptionsfaktoren kodieren (Abb. 1) [2]. Das spricht dafür, dass
Zellen mit verschiedenen Schicksalen sich schon in der Expression von Genen unterscheiden, bevor
morphologische Unterschiede zw ischen den Zellen sichtbar w erden. Allerdings ist noch nicht geklärt, w ie es zu
diesen charakteristischen dynamischen Expressionsmustern kommt.
Auxin und die Hauptachse der Polarität
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Auxin ist das einzige bekannte Pflanzenhormon, das gerichtet transportiert w ird. Dieser gerichtete Transport
w ird durch Auxin-Efflux-Carrier der PIN-Familie bew irkt, die in der Plasmamembran auf einer Seite der Zelle
lokalisiert sind und Auxin aus der Zelle „pumpen“. Zw ei Mitglieder der PIN-Familie, PIN1 und PIN7, spielen in
der frühen Embryogenese eine w ichtige Rolle [3]. Nach der Teilung der Zygote w ird PIN7 in der basalen
Tochterzelle exprimiert und in der Plasmamembran an der Grenze zur apikalen Tochterzelle der Zygote
lokalisiert (Abb. 2). Dadurch kommt es zur Akkumulation von Auxin in der apikalen Tochterzelle. Im Experiment
w ird Auxin nicht direkt, sondern durch auxin-induzierte Reportergenexpression nachgew iesen. Auch die
Nachkommen der apikalen Zelle, die zusammen den Proembryo ausmachen, akkumulieren Auxin. In diesen
Zellen lokalisiert PIN1 in allen w ährend der Zellteilungen neu gebildeten Plasmamembranen, w eshalb Auxin
nicht gerichtet zw ischen diesen Zellen transportiert w ird. Später kommt es zur Neusynthese von Auxin im
oberen Teil des Embryos [4]. Wenn der Embryo aus 32 Zellen besteht, w erden PIN1 und PIN7 an die basalen
Seiten der Zellen umgelagert (Abb. 2C). Dadurch w ird der Auxin-Transport nach unten gerichtet, und es kommt
zur Akkumulation von Auxin am basalen Ende des Embryos. Diese Verteilung des Auxins bleibt bis zum Ende
der Embryonalentw icklung erhalten [3].
Aux in-Tra nsport und Aux in-Antwort in de r frühe n
Em bryoge ne se . A Aux in wird von P IN7 (rote Linie ) a us de r
ba sa le n Ze lle tra nsportie rt und a k k um ulie rt in de r a pik a le n
Ze lle (grün), in de r de r Tra nsk riptionsfa k tor MP und se in
Inhibitor BDL e x prim ie rt we rde n (bla ue r P unk t). B Im 8-Ze llSta dium wird Aux in in de n Na chk om m e n de r a pik a le n Ze lle
(P roe m bryo) a k k um ulie rt, da P IN1 (ora nge fa rbe ne Linie n) im
Ge ge nsa tz zu P IN7 (rote Linie n) k e ine pola re Lok a lisie rung
a ufwe ist. C Im Globula rsta dium sind P IN1 und P IN7 a n de n
ba sa le n Ende n de r Ze lle n lok a lisie rt, Aux in wird da he r na ch
unte n tra nsportie rt und a k k um ulie rt a m W urze le nde de s
Em bryos (grün). De r ba sa le Aux in-Tra nsport hä ngt von de r
Aux in-Antwort im P roe m bryo a b; na ch Abba u von BDL a k tivie rt
MP die Synthe se von P IN1 und von e ine m
Tra nsk riptionsfa k tor, de r in die a ngre nze nde Suspe nsorze lle
wa nde rt (schwa rze P fe ile ) und zusa m m e n m it Aux in da s
Schick sa l die se r Ze lle (H) be stim m t. Die rote n und die
ora nge fa rbe ne n P fe ile ge be n die R ichtung de s Aux influsse s
a n.
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Die Auxin-Antw ort im jungen Embryo w ird durch den Transkriptionsfaktor MONOPTEROS (MP; auch als AUXIN
RESPONSE FACTOR 5, ARF5, bezeichnet) und seinen Inhibitor BODENLOS (BDL, alias IAA12) vermittelt [5]. In
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Abw esenheit von Auxin verhindert der Inhibitor BDL die Aktivierung von auxin-induzierbaren Genen durch MP,
w ährend die Akkumulation von Auxin zum Abbau von BDL und damit zur Freisetzung von MP führt [6]. MP und
BDL w erden zw ar nur im Proembryo exprimiert, aber für die Änderung des Schicksals der angrenzenden
Suspensorzelle (H, Abb. 2C) benötigt [5]. Diese nicht-autonome W irkung der Auxin-Antw ort w ird offenbar
durch zw ei nachgeschaltete Vorgänge vermittelt. Zum einen sorgt die Freisetzung von MP aus dem Komplex
mit seinem Inhibitor BDL dafür, dass PIN1 im Proembryo exprimiert w ird. Ein Regulator des Membranflusses,
das Protein GNOM, vermittelt die polare Lokalisierung von PIN1 an der Unterseite der Zellen des Proembryos,
w odurch Auxin zur obersten Suspensorzelle transportiert w ird. Jedoch kann der Ausfall von MP nicht durch die
externe Zugabe von Auxin kompensiert w erden [5]. Offenbar ist also noch ein anderer MP-abhängiger Prozess
beteiligt. Durch eine genomumfassende Suche nach Zielgenen von MP, die nur nach Abbau des Inhibitors BDL
exprimiert w erden, w urde unter anderem ein Gen identifiziert, das einen Transkriptionsfaktor kodiert, der sich
aus dem unteren Bereich des Proembryos in die benachbarte Suspensorzelle bew egt und deren Schicksal
dahingehend beeinflusst, dass eine embryonale W urzel angelegt w ird [7]. Anders als bei Tieren können
Transkriptionsfaktoren bei Pflanzen von einer Zelle in eine Nachbarzelle transportiert w erden.
Die ersten Zellschicksale zu Beginn der Embryonalentwicklung
Ge ne x pre ssion in de r frühe n Em bryoge ne se . Einige Ge ne
we rde n in de r a pik a le n Tochte rze lle de r Zygote und de m
da ra us e ntste he nde n P roe m bryo A , a nde re Ge ne in de r
ba sa le n Tochte rze lle und de m da ra us e ntste he nde n e x tra e m bryona le n Suspe nsor B e x prim ie rt. Ge ze igt ist die
Ex pre ssion fluore szie re nde r P rote ine .
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und Jürge ns
W ie bereits beschrieben, teilt sich die Zygote von Arabidopsis in zw ei verschieden große Zellen, die dann
verschiedene Gene exprimieren und verschiedene Zellschicksale annehmen. Die kleinere apikale Zelle bringt
durch eine charakteristische Abfolge regulierter Zellteilungen einen kugelförmigen Proembryos hervor,
w ährend die größere basale Zelle durch w iederholte horizontale Zellteilungen einen fädigen Suspensor aus
w enigen Zellen bildet. W ie diese Unterschiede entstehen, ist nicht bekannt. Denkbar ist, dass noch
unbekannte Determinanten durch die asymmetrische Teilung der Zygote ungleich auf die beiden Tochterzellen
verteilt w erden. Es ist aber auch nicht auszuschließen, dass die Unterschiede zw ischen den Tochterzellen erst
nachträglich zu Stande
kommen. Antw orten auf diese
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Frage
w erden in unserer Arbeitsgruppe
auf
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verschiedene Weise experimentell gesucht. Ein Ansatz beruht auf der Trennung von fluoreszierenden
Zellkernen, die dem Proembryo beziehungsw eise dem Suspensor entstammen (Abb. 3). Für die beiden
Zellpopulationen w erden genomw eite Genexpressionsprofile erstellt, und die Regulationssequenzen der Gene
w erden auf gemeinsame Motive untersucht, um übergeordnete Regulatoren zu identifizieren.
Originalveröffentlichungen
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