В биологии клетки меристема — это тип ткани , встречающейся в растениях. Она состоит из недифференцированных клеток ( меристематических клеток ), способных к делению . Клетки в меристеме могут развиваться во все другие ткани и органы , которые встречаются в растениях. Эти клетки продолжают делиться до тех пор, пока не станут дифференцированными и не потеряют способность к делению.
Дифференцированные растительные клетки, как правило, не могут делиться или производить клетки другого типа. Меристематические клетки недифференцированы или не полностью дифференцированы. Они тотипотентны и способны к непрерывному делению клеток . Деление меристематических клеток обеспечивает новые клетки для расширения и дифференциации тканей и закладки новых органов, обеспечивая основную структуру тела растения. Клетки маленькие, с небольшими вакуолями или без них, а протоплазма полностью заполняет клетку. Пластиды ( хлоропласты или хромопласты ) недифференцированы, но присутствуют в рудиментарной форме ( пропластиды ). Меристематические клетки плотно упакованы друг с другом без межклеточных пространств. Клеточная стенка представляет собой очень тонкую первичную клеточную стенку.
Термин меристема впервые был использован в 1858 году швейцарским ботаником Карлом Вильгельмом фон Негели (1817–1891) в его книге Beiträge zur Wissenschaftlichen Botanik («Вклад в научную ботанику»). [1] Он происходит от греческого μερίζειν (merizein) «разделять», в знак признания его присущей функции. [ необходима цитата ]
Существует три типа меристематических тканей: апикальные (на кончиках), интеркалярные или базальные (в середине) и латеральные (по бокам, также известные как камбий). На вершине меристемы находится небольшая группа медленно делящихся клеток, которую обычно называют центральной зоной. Клетки этой зоны выполняют функцию стволовых клеток и необходимы для поддержания меристемы. Скорость пролиферации и роста на вершине меристемы обычно значительно отличается от таковой на периферии.
Апикальные меристемы дают начало первичному телу растения и отвечают за первичный рост , или увеличение длины или высоты. [2] [3] Апикальные меристемы могут дифференцироваться в три вида первичных меристем:
После первичного роста боковые меристемы развиваются как вторичный рост растения. Этот рост добавляет растению диаметр от устоявшегося стебля, но не все растения демонстрируют вторичный рост. Существует два типа вторичных меристем: сосудистый камбий и пробковый камбий.
Апикальные меристемы — это полностью недифференцированные (неопределенные) меристемы в растении. Они дифференцируются на три вида первичных меристем. Первичные меристемы, в свою очередь, производят два типа вторичных меристем. Эти вторичные меристемы также известны как боковые меристемы, поскольку они участвуют в боковом росте.
Существует два типа апикальной меристемной ткани: апикальная меристема побега ( SAM ), которая дает начало таким органам, как листья и цветы, и апикальная меристема корня ( RAM ), которая обеспечивает меристематические клетки для будущего роста корня. Клетки SAM и RAM быстро делятся и считаются неопределенными, поскольку они не обладают каким-либо определенным конечным статусом. В этом смысле меристематические клетки часто сравнивают со стволовыми клетками у животных, которые имеют аналогичное поведение и функцию.
Апикальные меристемы располагаются слоями, количество слоев варьируется в зависимости от типа растения. В общем, самый внешний слой называется туника, а самые внутренние слои — корпус . У однодольных туника определяет физические характеристики края и края листа. У двудольных второй слой корпуса определяет характеристики края листа. Корпус и туника играют важную роль в физическом облике растения, поскольку все клетки растения образуются из меристем. Апикальные меристемы находятся в двух местах: в корне и в стебле. У некоторых арктических растений апикальная меристема находится в нижней/средней части растения. Считается, что этот вид меристемы развился, потому что он выгоден в арктических условиях. [ требуется ссылка ]
Апикальные меристемы побега являются источником всех надземных органов, таких как листья и цветы. Клетки на вершине апикальной меристемы побега служат стволовыми клетками для окружающей периферической области, где они быстро размножаются и включаются в дифференцирующиеся зачатки листьев или цветов.
Апикальная меристема побега является местом большей части эмбриогенеза у цветковых растений. [ требуется ссылка ] Зачатки листьев, чашелистиков, лепестков, тычинок и завязей закладываются здесь со скоростью один за каждый временной интервал, называемый пластохроном . Именно здесь проявляются первые признаки того, что развитие цветка было вызвано. Одним из таких признаков может быть потеря апикального доминирования и высвобождение в противном случае спящих клеток для развития в качестве вспомогательных меристем побега, у некоторых видов в пазухах зачатков, находящихся всего в двух-трех от апикального купола.
Апикальная меристема побега состоит из четырех отдельных групп клеток:
Эти четыре отдельные зоны поддерживаются сложным сигнальным путем. У Arabidopsis thaliana 3 взаимодействующих гена CLAVATA необходимы для регулирования размера резервуара стволовых клеток в апикальной меристеме побега путем контроля скорости деления клеток . [5] Предполагается, что CLV1 и CLV2 образуют рецепторный комплекс (семейства рецептор-подобных киназ LRR), для которого CLV3 является лигандом . [ 6] [7] [8] CLV3 имеет некоторую гомологию с белками ESR кукурузы, при этом между белками сохраняется короткий участок из 14 аминокислот . [9] [10] Белки, содержащие эти консервативные участки, были сгруппированы в семейство белков CLE. [9] [10]
Было показано, что CLV1 взаимодействует с несколькими цитоплазматическими белками, которые, скорее всего, участвуют в нисходящей передаче сигналов . Например, было обнаружено, что комплекс CLV связан с белками, связанными с малыми ГТФазами Rho/Rac . [5] Эти белки могут выступать в качестве посредника между комплексом CLV и митоген-активируемой протеинкиназой (MAPK), которая часто участвует в каскадах сигналов. [11] KAPP — это протеинфосфатаза, связанная с киназой, которая, как было показано, взаимодействует с CLV1. [12] Считается, что KAPP действует как отрицательный регулятор CLV1, дефосфорилируя его. [12]
Другим важным геном в поддержании меристемы растений является WUSCHEL (сокращенно WUS ), который является мишенью сигнализации CLV в дополнение к положительной регуляции CLV, таким образом формируя петлю обратной связи. [13] WUS экспрессируется в клетках, расположенных ниже стволовых клеток меристемы, и его присутствие предотвращает дифференциацию стволовых клеток. [13] CLV1 действует, способствуя клеточной дифференциации, подавляя активность WUS за пределами центральной зоны, содержащей стволовые клетки. [5]
Функция WUS в апикальной меристеме побега связана с фитогормоном цитокинином . Цитокинин активирует гистидинкиназы , которые затем фосфорилируют гистидиновые фосфотрансферные белки. [14] Впоследствии фосфатные группы переносятся на два типа регуляторов ответа Arabidopsis (ARR): ARRS типа B и ARR типа A. ARR типа B работают как факторы транскрипции для активации генов ниже по течению от цитокинина , включая A-ARR. A-ARR похожи на B-ARR по структуре; однако A-ARR не содержат доменов связывания ДНК, которые есть у B-ARR, и которые необходимы для функционирования в качестве факторов транскрипции. [15] Следовательно, A-ARR не способствуют активации транскрипции и, конкурируя за фосфаты с фосфотрансферными белками, ингибируют функцию B-ARR. [16] В SAM B-ARR индуцируют экспрессию WUS , которая индуцирует идентичность стволовых клеток. [17] Затем WUS подавляет A-ARR. [18] В результате B-ARR больше не ингибируются, вызывая устойчивую сигнализацию цитокинина в центре апикальной меристемы побега. В совокупности с сигнализацией CLAVATA эта система работает как отрицательная обратная связь. Сигнализация цитокинина положительно усиливается WUS, чтобы предотвратить ингибирование сигнализации цитокинина, в то время как WUS стимулирует свой собственный ингибитор в форме CLV3, что в конечном итоге держит под контролем сигнализацию WUS и цитокинина. [19]
В отличие от апикальной меристемы побега, апикальная меристема корня производит клетки в двух измерениях. Она содержит два пула стволовых клеток вокруг организующего центра, называемого клетками покоящегося центра (QC), и вместе производит большую часть клеток во взрослом корне. [20] [21] На своей вершине корневая меристема покрыта корневым чехликом, который защищает и направляет ее траекторию роста. Клетки непрерывно отшелушиваются с внешней поверхности корневого чехлика . Клетки QC характеризуются низкой митотической активностью. Данные свидетельствуют о том, что QC поддерживает окружающие стволовые клетки, предотвращая их дифференциацию с помощью сигнала(ов), которые еще предстоит открыть. Это обеспечивает постоянный приток новых клеток в меристему, необходимых для непрерывного роста корня. Недавние открытия показывают, что QC также может действовать как резервуар стволовых клеток для восполнения всего, что потеряно или повреждено. [22] Апикальная меристема корня и структура тканей устанавливаются в эмбрионе в случае первичного корня и в новом зачатке бокового корня в случае вторичных корней.
У покрытосеменных растений интеркалярные (иногда называемые базальными) меристемы встречаются в стеблях однодольных (в частности, злаковых ) у основания узлов и листовых пластин. Хвощи и вельвичия также демонстрируют интеркалярный рост. Интеркалярные меристемы способны к делению клеток, и они обеспечивают быстрый рост и возобновление роста многих однодольных. Интеркалярные меристемы в узлах бамбука обеспечивают быстрое удлинение стебля, в то время как те, что находятся у основания большинства листовых пластин злаковых, позволяют поврежденным листьям быстро восстанавливаться. Этот возобновление роста листьев у злаковых развился в ответ на повреждения, нанесенные травоядными животными и/или лесными пожарами.
Когда растения начинают цвести, верхушечная меристема побега трансформируется в меристему соцветия, которая затем образует цветковую меристему, из которой образуются чашелистики, лепестки, тычинки и плодолистики цветка.
В отличие от вегетативных апикальных меристем и некоторых меристем выцветания, цветочные меристемы не могут продолжать расти бесконечно. Их рост ограничен цветком определенного размера и формы. Переход от меристемы побега к цветочной меристеме требует генов идентичности цветочной меристемы, которые как определяют цветочные органы, так и вызывают прекращение производства стволовых клеток. AGAMOUS ( AG ) — это гомеозисный ген цветка, необходимый для прекращения цветочной меристемы и необходимый для правильного развития тычинок и плодолистиков . [ 5] AG необходим для предотвращения преобразования цветочных меристем в меристемы побега соцветия, но является геном идентичности LEAFY ( LFY ) и WUS и ограничен центром цветочной меристемы или двумя внутренними мутовками. [23] Таким образом достигается цветочная идентичность и специфичность региона. WUS активирует AG, связываясь с консенсусной последовательностью во втором интроне AG, а LFY связывается с соседними сайтами распознавания. [23] После активации AG подавляет экспрессию WUS, что приводит к прекращению меристемы. [23]
На протяжении многих лет ученые манипулировали цветочными меристемами в экономических целях. Примером может служить мутантное растение табака «Maryland Mammoth». В 1936 году министерство сельского хозяйства Швейцарии провело несколько научных испытаний с этим растением. «Maryland Mammoth» отличается тем, что растет гораздо быстрее других растений табака.
Апикальное доминирование — это когда одна меристема предотвращает или подавляет рост других меристем. В результате растение будет иметь один четко определенный главный ствол. Например, у деревьев верхушка главного ствола несет доминирующую меристему побега. Поэтому верхушка ствола растет быстро и не затеняется ветвями. Если доминирующая меристема обрезана, один или несколько кончиков ветвей возьмут на себя доминирование. Ветвь начнет расти быстрее, и новый рост будет вертикальным. С годами ветвь может начать все больше и больше походить на продолжение главного ствола. Часто несколько ветвей будут демонстрировать такое поведение после удаления апикальной меристемы, что приведет к кустистому росту.
Механизм апикального доминирования основан на ауксинах , типах регуляторов роста растений. Они вырабатываются в апикальной меристеме и транспортируются к корням в камбии . Если апикальное доминирование полное, они предотвращают образование каких-либо ветвей, пока апикальная меристема активна. Если доминирование неполное, будут развиваться боковые ветви. [ необходима цитата ]
Недавние исследования апикального доминирования и контроля ветвления выявили новое семейство растительных гормонов, называемых стриголактонами . Ранее было известно, что эти соединения участвуют в прорастании семян и коммуникации с микоризными грибами , а теперь показано, что они участвуют в ингибировании ветвления. [24]
SAM содержит популяцию стволовых клеток , которые также производят боковые меристемы, пока стебель удлиняется. Оказывается, механизм регуляции числа стволовых клеток может быть эволюционно консервативным. Ген CLAVATA CLV2, отвечающий за поддержание популяции стволовых клеток в Arabidopsis thaliana, очень тесно связан с геном кукурузы FASCIATED EAR 2 ( FEA2 ), также выполняющим ту же функцию. [25] Аналогично, в рисе система FON1-FON2, по-видимому, тесно связана с сигнальной системой CLV в Arabidopsis thaliana . [26] Эти исследования предполагают, что регуляция числа стволовых клеток, идентичности и дифференциации может быть эволюционно консервативным механизмом у однодольных , если не у покрытосеменных . Рис также содержит другую генетическую систему, отличную от FON1-FON2 , которая участвует в регуляции числа стволовых клеток . [26] Этот пример подчеркивает инновации , которые постоянно происходят в живом мире.
Генетические скрининги выявили гены, принадлежащие к семейству KNOX , в этой функции. Эти гены по сути поддерживают стволовые клетки в недифференцированном состоянии. Семейство KNOX претерпело довольно много эволюционной диверсификации, сохранив при этом общий механизм более или менее схожим. Члены семейства KNOX были обнаружены в таких разнообразных растениях, как Arabidopsis thaliana , рис, ячмень и томат. Гены, подобные KNOX, также присутствуют в некоторых водорослях , мхах, папоротниках и голосеменных . Неправильная экспрессия этих генов приводит к формированию интересных морфологических особенностей. Например, среди членов Antirrhineae только виды рода Antirrhinum не имеют структуры, называемой шпорой, в цветочной области. Шпора считается эволюционным новшеством , поскольку она определяет специфичность и привлекательность опылителя . Исследователи провели мутагенез транспозонов у Antirrhinum majus и увидели, что некоторые вставки привели к образованию шпор, которые были очень похожи на шпоры у других представителей Antirrhineae [27] , что указывает на то, что потеря шпор в диких популяциях Antirrhinum majus, вероятно, могла быть эволюционным новшеством.
Семейство KNOX также было вовлечено в эволюцию формы листьев (более подробное обсуждение см. ниже) . В одном исследовании изучалась картина экспрессии гена KNOX у A. thaliana , имеющего простые листья, и Cardamine hirsuta , растения со сложными листьями . У A. thaliana гены KNOX полностью выключены в листьях, но у C.hirsuta экспрессия продолжалась, образуя сложные листья. [28] Кроме того, было высказано предположение, что механизм действия гена KNOX сохраняется во всех сосудистых растениях , поскольку существует тесная корреляция между экспрессией KNOX и сложной морфологией листьев . [29]
Хотя каждое растение растет в соответствии с определенным набором правил, каждая новая меристема корня и побега может продолжать расти до тех пор, пока она жива. У многих растений меристематический рост потенциально неопределен , что делает общую форму растения неопределенной заранее. Это первичный рост . Первичный рост приводит к удлинению тела растения и формированию органов. Все органы растений в конечном итоге возникают из делений клеток в апикальных меристемах, за которыми следует расширение и дифференциация клеток. Первичный рост дает начало апикальной части многих растений.
Рост азотфиксирующих корневых клубеньков на бобовых растениях, таких как соя и горох, является либо детерминированным, либо недетерминированным. Таким образом, соя (или фасоль и Lotus japonicus) образуют детерминированные клубеньки (сферические) с разветвленной сосудистой системой, окружающей центральную зараженную зону. Часто клетки, инфицированные Rhizobium, имеют только небольшие вакуоли. Напротив, клубеньки на горохе, клевере и Medicago truncatula являются недетерминированными, чтобы поддерживать (по крайней мере, некоторое время) активную меристему, которая дает новые клетки для заражения Rhizobium. Таким образом, в клубеньке существуют зоны зрелости. Инфицированные клетки обычно обладают большой вакуолью. Сосудистая система растения разветвленная и периферическая.
При соответствующих условиях каждая меристема побега может развиться в полноценное новое растение или клон . Такие новые растения можно выращивать из черенков побега, содержащих апикальную меристему. Однако корневые апикальные меристемы нелегко клонировать. Такое клонирование называется бесполым размножением или вегетативным размножением и широко практикуется в садоводстве для массового производства растений желаемого генотипа . Было показано, что этот процесс, известный как мериклонирование, уменьшает или устраняет вирусы, присутствующие в родительском растении у нескольких видов растений. [30] [31]
Размножение черенками — это еще одна форма вегетативного размножения, которая инициирует образование корней или побегов из вторичных меристематических камбиальных клеток. Это объясняет, почему базальное «ранение» черенков, полученных через побеги, часто способствует образованию корней. [32]
Меристемы также могут быть индуцированы в корнях бобовых , таких как соя , Lotus japonicus , горох и Medicago truncatula, после заражения почвенными бактериями, обычно называемыми ризобиями . [ требуется ссылка ] Клетки внутренней или внешней коры в так называемом «окне клубеньков» сразу за развивающимся кончиком корня индуцируются к делению. Критическим сигнальным веществом является липоолигосахаридный Nod -фактор , украшенный боковыми группами, чтобы обеспечить специфичность взаимодействия. Белки-рецепторы Nod-фактора NFR1 и NFR5 были клонированы из нескольких бобовых, включая Lotus japonicus , Medicago truncatula и сою ( Glycine max ). Регулирование меристем клубеньков использует регуляцию на больших расстояниях, известную как ауторегуляция клубеньков (AON). Этот процесс включает в себя рецепторные киназы LRR , расположенные в сосудистой ткани листа (LjHAR1, GmNARK и MtSUNN), сигнализацию пептида CLE и взаимодействие KAPP, аналогичное наблюдаемому в системе CLV1,2,3. LjKLAVIER также демонстрирует фенотип регуляции узелков , хотя пока неизвестно, как это связано с другими рецепторными киназами AON.
Боковые меристемы, форма вторичного роста растений, добавляют рост растениям в диаметре. Это в первую очередь наблюдается у многолетних двудольных растений, которые выживают из года в год. Существует два типа боковых меристем: сосудистый камбий и пробковый камбий.
В сосудистом камбии первичная флоэма и ксилема производятся апикальной меристемой. После этого начального развития вторичная флоэма и ксилема производятся боковой меристемой. Они соединены тонким слоем паренхимных клеток, которые дифференцируются в пучковый камбий. Пучковый камбий делится, чтобы создать новую вторичную флоэму и ксилему. После этого кортикальная паренхима между сосудистыми цилиндрами дифференцирует межпучковый камбий. Этот процесс повторяется для неопределенного роста. [33]
Пробковый камбий создает защитное покрытие вокруг внешней части растения. Это происходит после того, как вторичная ксилема и флоэма уже расширились. Кортикальные паренхимные клетки дифференцируются в пробковый камбий около эпидермиса, который откладывает новые клетки, называемые феллодермой, и пробковые клетки. Эти пробковые клетки непроницаемы для воды и газов из-за вещества, называемого суберин, которое покрывает их. [34]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )