Tài liệu Quá trình phát triển phôi ở thực vật pptx

Sự phát triển thông qua các giai đoạn hình cầu, hình tim, hình ngư lôi và giai đoạn lá mầm có thể phân chia thành các bước có trình tự khác nhau, được đại diện ở 3 sự kiện chủ yếu: - Sự

Qúa trình phát triển phôi ở thực

vật

I Con đường chung trong phát triển phôi

1 Ở cây hai lá mầm: Sự phát triển phôi theo nghĩa hẹp, bắt đầu với hợp tử và kết thúc ở giai đoạn lá mầm Sự phát triển thông qua các giai đoạn hình cầu, hình tim, hình ngư lôi và giai đoạn lá mầm có thể phân chia thành các bước có trình tự khác nhau, được đại diện ở 3 sự kiện chủ yếu:

- Sự phân chia không đối xứng của hợp tử, dẫn đến làm cho các tế bào ở đỉnh thì nhỏ, các tế bào cơ bản thì lớn

- Sự hình thành khuôn mẫu một cách rõ ràng, xảy ra ở giai đoạn hình

cầu

- Sự chuyển biến của giai đoạn lá mầm xảy ra đồng thời với sự bắt đầu của mầm rễ, mầm lá thông qua mầm của thân

- Cây Một lá mầm chỉ phát triển một lá mầm nằm ở đỉnh ngọn, còn chồi mầm thì nằm ở bên cạnh Kiểu một lá mầm của phôi Một lá mầm chỉ gặp ở thực vật Hạt kín Ở cây Hai lá mầm cũng như ở cây Một lá mầm có sự khác nhau rất lớn trong cách phát triển phôi của từng nhóm riêng Hiện nay ít nhiều đã xác định được một số kiểu phát triển và cấu tạo khác nhau của phôi Những kiểu đó phân biệt với nhau bởi cách phân chia đầu tiên của hợp tử (phân cắt dọc, hay ngang hoặc xiên), bởi tính chất của tế bào tận cùng của tiền phôi hai tế bào và bởi mức độ tham gia của tế bào gốc vào việc hình

thành phôi

3 Trình tự phát triển phôi của cây hạt trần được chia thành 3 pha:

-Giai đoạn tiền phôi: bao gồm tất cả các bước trước khi dây treo kéo dài.-Giai đoạn phát sinh phôi sớm: tất cả các giai đoạn sau khi dây treo kéo dài và trước khi hình thành mô phân sinh chồi

-Giai đoạn phát triển hậu phôi: trải qua lịch sử phát triển phôi, bao gồm

sự hình thành mô phân sinh rễ và mô phân sinh chồi

→Ba bước phát triển phôi ở thực vật hạt trần tương đương với các giai đoạn phát triển phôi theo nghĩa hẹp ở thực vật hạt kín, kế tiếp là giai

đoạn trưởng thành của phôi

Quá trình phát triển phôi soma và phát triển phôi hợp tử

Các giai đoạn phát triển phôi ở thực vật hạt kín và hạt trần

Sau thụ tinh, hợp tử phân chia không đối xứng tạo nên hai tế bào có kích thước khác nhau, tế bào nhỏ ở đỉnh và tế bào lớn ở đáy Tế bào đỉnh chứa nội chất được cô đặc lại, đó cũng là nơi chứa nhiều enzym của các hoạt động tổng hợp, trong khi tế bào đáy và con cháu của

dòng tế bào này hóa không bào cao Tế bào đỉnh phân chia 3 lần, tạo thành 8 tế bào, là giai đoạn octant Tại giai đoạn này đã có sự phân

biệt chức năng của các vùng

4 Diễn biến các pha (ví dụ ở Arabidopsis)

Giai đoạn octant 16 tế bào: Phôi ở giai đoạn octant, 8 tế bào bên ngoài của vỏ nguyên sinh được phân biệt với 8 tế bào bên trong những nếp lồi phân chia kiểu đối nghiêng một cách có ưu thế trong lớp tế bào bên trong nên lớp vỏ nguyên sinh vẫn được tách ra từ lớp tế bào bên trong

ở suốt quá trình phát triển

a Giai đoạn octant

b Giai đoạn hình cầu được duy trì trong một thời gian, sự phân chia của những tế bào bên trong dẫn đến sự hình thành trục phôi và sự biệt hóa vùng

ở giai đoạn phôi hình cầu, khi số lượng tế bào tăng lên hơn 100 thì phôi dần chuyển sang hình tam giác bởi vì sự phát triển định vị tại hai điểm đối diện nhau trong vùng đỉnh

3 Diễn biến các pha

c Đầu giai đoạn phôi hình tim, có xấp xỉ 200 tế bào và là nguồn gốc chủ yếu của các cơ quan trong hạt như lá mầm, trụ dưới lá mầm, rễ nguyên thủy, cũng như những loại mô cơ bản, tiền mạch, vỏ phân sinh ngọn và

vỏ là thấy rõ về mặt cấu trúc Kết thúc là giai đoạn 2 lá mầm đã hình

thành rõ rệt, sự biệt hóa các vùng, cơ quan và hạt đi vào giai đoạn nghỉ

1.Xác định trục phân cực trong giai đoạn sớm của phát triển phôi

* Phôi hợp tử

ở Arabidopsis và một số loài khác:

tính phân cực đỉnh-gốc được hình

thành trước lần phân bào đầu tiên

của hợp tử được chứa đựng trong

bản thân của tế bào trứng (noãn

Các nhân tố ảnh hưởng tính phân cực

2 Quyết định số phân của tế bào: Phôi – dây treo

- Hợp tử trải qua lần phân chia không đối xứng đầu tiên tạo ra 2 tế bào

có kích thước không giống nhau và phát triển theo những hướng khác nhau:

+ tế bào có kích thước lớn (tế bào gốc), được hình thành từ vùng tế bào

có không bào lớn và phát triển thành dây treo

+ tế bào có kích thước nhỏ (tế bào đỉnh), được hình thành từ vùng tế bào

có nhiều chất nguyên sinh và phát triển thành phôi

- Dây treo do tế bào gốc phân chia theo mặt phẳng nằm ngang, tạo nên một trục gồm 7-9 tế bào Chỉ duy nhất tế bào trên cùng sát với phôi,

tham gia vào sự phát triển phôi tạo nên một phàn của mô phân sinh rễ.Dây treo có chức năng: vận chuyển chất dinh dưỡng và hormone cho

phôi và đẩy phôi và sâu bên trong nội nhũ

Có 2 cơ chế hình thành nên số phận khác nhau của tế bào: sự phân chia không bằng nhau của các tế bào phân cực và vị trí quyết định số phận tế bào Cả 2 cơ chế đó đều được thực hiện trong quá trình phát triển phôi Mặt phẳng chính xác của sự phân chia tế bào đóng vai trò quan trọng trong phát triển phôi khi sự phân chia tế bào chất và những phân tử điều hòa được phân cực.Kết quả là sự phân chia không đối xứng của tế bào con có thể thừa hưởng phần tế bào chất khác nhau và ở đó đã có sự phân biệt số phận của tế bào

* Yếu tố quyết đinh số phận tế bào

Thí nghiệm trên Fucus chứng minh vai trò của vách trong tế bào

Sự biệt hóa của 2 tế bào phôi Fucus phụ thuộc vị trí phải được liên kết với nhân tố vách

- vai trò của thành tế bào trong sự quyết định số phận của tế bào

Pectin là một thành phần cấu tạo nên thành tế bào, có chứa loại

polysaccharide là Arabinogalctan (phát hiện thông qua phản ứng miễn dịch của kháng thể đơn dòng), một phần phân tử này liên kết với

protein đặc biệt trên màng nguyên sinh chất gọi là Arabinoglactan

protein (AGP) Vị trí của AGP có sự phân bố khác nhau trong quá trình phát triển phôi

Dùng kháng thể JIM8(kháng thể liên kết với APG) để phát hiện vị trí của AGP và thấy rằng: JIM8 chỉ bám lên phần tế bào hợp tử, sau lần phân chia, tế bào nào vẫn có sự biểu hiện của JIM8 sau này phát triển thành dây treo

* Yếu tố quyết định số phận tế bào

- Các polysaccharide đóng vai trò quyết định số phận của tế bào trong giai đoạn sớm, đồng thời chúng còn duy trì hoạt động phân chia của phôi.Khi dùng thuốc thử Yariv, liên kết và ức chế AGP đã làm giảm tất cả quá trình phát triển của đỉnh và rễ.

* Cơ chế phân tử thực hiện vai trò của thành té bào được thực hiện nhờ

protein GNOM (GN) Gen gn bị đột biến đã gây ra những sai sót

trong lân phân chia không đối xứng đầu tiên

Vai trò của GN có liên quan đến các túi vận chuyển của Golgi: nó

định hướng một cách chính xác phương hướng cho các túi vận chuyển các chất quan trong đến màng và thành tế bào

Như vậy: thành tế bào quyết định số phận của các tế bào nhưng GN là đối tượng thực hiện quyết định đó.

* Yếu tố quyết đinh số phận tế bào

Sự khởi đầu của trục phôi xảy ra thông qua sự định hướng phân chia chính xác trong giai đoạn sớm của phôi hình cầu, có thể phản ánh vài tín hiệu là vector trực tiếp trong phân cực đỉnh – cơ sở Đột biến ở 3

gen MONOPTEROS (MP), BODENLOS (BDL) và AUXIN

RESISTANT 6 (AXR 6) gây trở ngại cho mức độ biến đổi với sự hình

thành của trụ phôi được nhận ra bởi sự thiếu định hướng trong vùng

cơ bản

3 Sự hình thành trụ phôi

- Ở loài 2 lá mầm, nguồn gốc của mầm rễ xuất hiện vào cuối của sự hình thành kiểu phôi Lá mầm được chỉ rõ từ vùng bên tại điểm cuối của đỉnh Sự hình thành lá mầm là kết quả của giai đoạn phát triển hình tim Ở cây một lá mầm, cả mô phân sinh rễ và chồi được hình thành bắt đầu phía bên hơn là ở ngoài mút (xa tâm) Vùng xa tâm ở phía trên của mô phân sinh thân trải rộng đáng kể để hình thành nên mảnh mày ( vốn là phần phụ của lá mầm gắn cạnh phôi thuộc họ

Hòa thảo, khi hạt nảy mầm sẽ tiết ra các enzyme thủy phân vào nội nhũ bên cạnh và hấp thụ đường từ đó)

4 Sự hình thành mô phân sinh rễ và chồi

- Cuối của sự phát sinh phôi trong cây hạt trần có giai đoạn tạo mô và tạo cơ quan Trong giai đoạn sớm này, mô phân sinh đỉnh rễ và chồi

đã được vạch ra và trục của cây được hình thành Mô phân sinh đỉnh

rễ gần trung tâm của phôi trước như là trung tâm của cơ quan rễ Mô phân sinh chồi hình thành tại phần xa của khối phôi hình cầu Lá

mầm nguyên thủy xuất hiện trong vòng quanh điểm cuối của phôi

Những tế bào đầu tiên thuộc tiền thượng tầng được hình thành qua sự

phân chia bao quanh, ghép vòng ở vùng trung tâm của l.t Người ta

biết được đột biến chấm dứt chọn lọc quá trình này đó là lớp cảm

nhận auxin, gồm đột biến của mp, bdl, axr6 (Hardtke và Berleth,

1998, Hamann, 1999) Những khuyết tật đó là phù hợp với vai trò giả định của auxin trong việc thúc đẩy định hướng biệt hóa mô mạch

(Sachs 1981, 1991), đã chỉ ra tín hiệu auxin ở cực liên quan đến cả việc hình thành trục đỉnh – cơ sở và kiểu phóng xạ giữa các tế bào

bên trong Sự kiện dẫn tới sự biệt hóa tế bào phụ thuộc vào chức năng

của gen MP, BDL, AXR6 chưa được biết rõ Có thể chúng là thành

phần tạo nên cơ chế feedback của auxin-flow-cell-polarization, vì vậy

mà gián tiếp thúc đẩy biệt hóa của mô mạch

5 Biệt hóa mô mạch

Gần đây, đã phát hiện thấy cytokinin cũng liên quan đến phân chia và biệt hóa tế bào bên trong trụ mạch Đột biến mất chức năng của gen

CYTOKININ RESPONSE1/WOODEN LEG (CRE1/WOL) dẫn tới giảm

phân bào ở trung tâm của mô phân sinh rễ và sự hình thành của phloem bị

giảm đi hoặc không có trong đột biến ở trụ dưới lá mầm và rễ Gen CRE1/

WOL mã hóa cho hai thành phần protein kinase liên kết màng và được

nhận biết như là cytokinin thụ thể Sự điều khiển phân bào thông qua

cytokinin, trở thành yếu tố quan trọng để hình thành những tế bào chính thức và phloem trong trụ mạch

5 Biệt hóa mô mạch

Lớp 1: biểu hiện ở tất cả các giai đoạn, có chức năng đòi hỏi cho sự phát triển bình thường của thực vật

Lớp 2: biểu hiện trong giai đoạn phôi chính thức, và dừng lại khi hạt nảy mầm

Lớp 3: gen được biểu hiện ở mức cao trong giai đoạn sớm của phát triển phôi tới giai đoạn lá mầm

Lớp 4: những gen biểu hiện trong quá trình mở rộng của lá mầm và

trưởng thành của hạt

Lớp 5: những gen được biểu hiện một cách phong phú ở giai đoạn cuối của phát triển phôi tới giai đoạn trưởng thành của hạt Những gen được hoạt hóa bởi ABA

III Vai trò của các yếu tố điều khiển phát triển phôi

1 Vai trò của gen trong quá trình phát triển phôi

• Để xác định vai trò của gen, người ta tiến hành nghiên cứu các đột biến:

- Đột biến suspensor (sus) đã tạo ra hình dạng không bình thường của dây treo Đột biến raspberry đã làm cho phôi đình trệ không phát triển, dây treo lại tiếp

tục trải qua nhiều lân phân chia và mang những đặc điểm giống với phôi.

- Đột biến twin đã gây nên sự biệt hóa lại của dây treo, chúng phát triển thành

phôi (sau khi phôi do tế bào đỉnh bị ngưng trệ)

• * ở những phôi không bị đột biến đã phát tín hiệu đến dây treo và duy trì số

phận của nó Trong trường hợp các đột biến như sus và raspberry, twin các tín hiệu đó không được tạo ra nên dây treo tiếp tục phân chia, biệt hóa và

phát triển thành phôi theo con đường chung

• Đột biến thuộc đỉnh (gurke) sẽ sai lạc trong mô phân sinh chồi và lá mầm, đột biến trung tâm ( fackel) không có trụ dưới lá mầm gắn với rễ Đột biến cơ bản (monopterous) không có trụ dưới lá mầm cũng như rễ (ở giai đoạn hình tim)

1 Vai trò của gen trong quá trình phát triển phôi

- LEC1 mã hóa tiểu đơn vị HAP3 của nhân tố gắn kết phiên mã

CCAAT Biểu hiện LEC1 là và biểu hiện sai lệch vị trí của LEC1 trong thực vật chuyển gen dẫn đến sự hình thành của cấu trúc tương tự như phôi soma Phôi của đột biến lec1 thể hiện phôi không bình thường với túm lông trong lá mầm và sự mất đi khả năng chịu đựng sự mất nước,

và dự trữ ptotein hạt

- Phân tích đột biến của lec1 đã phát hiện ra chức năng của LEC1 là

nhân tố điều hòa quan trọng sự phát triển của phôi và hoạt hóa nhân

tố phiên mã của gen đòi hỏi cho cả 2 quá trình phát sinh hình dạng

phôi và biệt hóa tế bào

1 Vai trò của gen trong quá trình phát triển phôi.

- FUSCA 3 (FUS3)

FUS3 mã hóa cho vùng B3 chứa protein, biểu hiện của gen đã được quan sát trong phôi đang phát triển từ giai đoạn sớm tới giai đoạn trực tiếp, trước khi nảy mầm (LuerBen, 1998) Phôi của đột biến fusca 3 ( fus 3) tạo ra túm lông trên lá mầm và biểu hiện được tăng sự tích lũy anthocyanin và giảm tích lũy protein dự trữ của hạt so với phôi kiểu dại Protein FUS3 liên kết trực tiếp với motif RY, nó được bảo toàn trong gen khởi động của nhiều hạt seed-specific, nó điều hòa biểu hiện cua gen trong suốt quá trình phát triển phôi Sự cảm ứng biểu hiện của gen FUS3 trong lớp L1 của mô phân sinh đỉnh chồi (SAM) sử dụng promotor AtML1 tạo ra cơ quan tương tự lá mầm trong thực vật

chuyển gen Arabidopsis SAM.

1 Vai trò của gen trong quá trình phát triển phôi.

- LEC2 mã hóa cho vùng B3 chứa protein, có quan hệ gần với FUS3 Phôi của lec2 tạo ra túm lông trên lá mầm và thể hiện kiểu hình dây treo không bình thường Sự biểu hiện lệch lạc của gen LEC2 dẫn đến hình thành cấu trúc tương tự phôi soma Protein LEC2 liên kết với motif RY của gen đích Biểu hiện của LEC2 trong lá điều hòa biểu hiện của gen ABI3, FUS3, LEC1 và sự tích lũy lipid ở hạt Ở đột biến lec2, biểu hiện của FUS3: GUS và ABI3 giảm

- Gen WUSCHEL (WUS): bắt đầu được biểu hiện trong 4 tế bào đỉnh (ở giai đoạn 16 tế bào) và quết định số phận của nó sau này hình thành mô phân sinh đỉnh Vai trò của WUS là duy trì tính nhiều tiềm năng

(pluripotent capacity) của tế bào mô phân sinh

- Gen GURKE: cần thiết cho việc tạo nên các cấu trúc phân đỉnh Những đột biến lớn không tạo nên cấu trúc toàn vẹn của phần đỉnh và trụ dưới là mầm, những đột biến nhỏ tạo nên hình dạng không bình thường của lá và hoa Các đột biến không ảnh hưởng đến rễ

1 Vai trò của gen trong quá trình phát triển phôi

- Gen CLAVATA1 (CLV1): được biểu hiện ở đỉnh phôi từ giai đoạn trái tim trở đi nó mã hóa 1 kinase giống với receptor bám lên màng tế bào CLV1 duy trì sự cân bằng giữa một bên là sự biệt hóa thành các

cơ quan và một bên là duy trì sự không biệt hóa của mô phân sinh khi đáp ứng với các điều kiện với môi trường CLV1 mã hóa cho protein kinase thụ thể, hoạt động cùng với CLV3 để điều khiển sự cân bằng giữa sự tăng lên của tế bào mô phân sinh và sự biệt hóa của chúng

- Gen PRIMORDIA TIMING (PT) có cùng chức năng với CLV1

nhưng phương thức hoạt động khác nhau Nó biểu hiện từ giai đoạn hình cầu trở đi

1 Vai trò của gen trong quá trình phát triển phôi

- Gen SHOOT MERISTEMLESS (STM): biểu hiện ngay giai đoạn hình cầu, ở vùng giữa, hoạt động của nó không phụ thuộc và WUSĐột biến STM đã làm ngừng quá trình tạo nên các bộ phận từ mô phân sinh đỉnh

- Gen AINTEGUMENTA (ATN): biểu hiện ở nhóm gồm 2 tế bào ở phía sườn mô phân sinh đỉnh, 2 tế bào này sau đó phát triển thành lá mầm

1 Vai trò của gen trong quá trình phát triển phôi

•Gen SWILLE (SLL): hoạt động của nó có sự phối hợp với STM Đột biến SLL là cho STM giảm sự biểu hiện điều hòa của nó SLL cần thiết cho sự duy trì mô phân sinh đỉnh SLL được biểu hiện ở tế bào mầm sinh mạch, nằm ngay sau tế bào mầm của mô phân sinh ở giai đoạn

sớm cho đến mầm lá được biểu hiện rõ khi mô phân sinh có thể tự duy trì được bản thân nó

1 Vai trò của gen trong quá trình phát triển phôi

- Gen MONOPTEROS (MP): cần thiết cho sự hình thành cấu tạo của trụ dưới lá mầm,rễ, mô phân sinh rễ, mũ rễ, những bộ phận

được hình thành từ vùng giữa và vùng gốc MP cần cho sự phân bố các tế bào quanh trục và sự phát triển của sợi mạch

-Gen BODENLOS (BDL): tác động gián tiếp trong việc hình thành tính phân cực đỉnh-gốc BDL bị đột biến sự phát triển có những lỗi tại giai đoạn 2 tế bào và tế bào đỉnh phân chia chủ yếu theo chiều ngang Sự phát triển của “tế bào cuống phôi” (tế bào trên cùng của dây treo tham gia vào sự phát triển phôi) tác động đến sự phát triển của rễ mầm

•Gen HOBBIT (HBT) cần thiết cho sự phát triển của tế bào cuống phôi từ giai đoạn 4 tế bào trở vế trước

1 Vai trò của gen trong quá trình phát triển phôi