Frühe Embryonalentwicklung von Arabidopsis Early embryogenesis of Arabidopsis

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1 Frühe Embryonalentwicklung von Arabidopsis Early embryogenesis of Arabidopsis Bayer, Martin; Jürgens, Gerd Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, Tübingen Korrespondierender Autor Zusammenfassung In der Embryonalentwicklung wird die Körperorganisation der erwachsenen Pflanze in ihren Grundzügen etabliert. Anfänglich teilt sich die befruchtete Eizelle (Zygote) in eine apikale embryonale Zelle und eine basale extra-embryonale Zelle. Wie dieser anfängliche Unterschied mit Hilfe des beteiligten YODA-Signalwegs zustande kommt, wird skizziert. Aus diesen Zellen entstehen Embryo und extra-embryonaler Suspensor. Die embryonalen Zellen erzeugen dann in Antwort auf das Pflanzenhormon Auxin ein Signal, das die benachbarte extra-embryonale Zelle zur Bildung des embryonalen Wurzelmeristems anregt. Summary The basic features of the body organisation of adult plants are established during embryogenesis. This process starts from the fertilized egg cell (zygote), which divides into an apical embryonic cell and a basal extra-embryonic cell. How this initial difference originates with input from the YODA pathway is briefly discussed. These cells give rise to embryo and extra-embryonic suspensor, respectively. The embryonic cells then 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. Besonderheiten der pflanzlichen Embryonalentwicklung Vielzellige Organismen entwickeln sich aus einer einzelnen Zelle, der Zygote, als Ergebnis der Befruchtung der Eizelle durch ein Spermium. Während der Embryonalentwicklung 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 erwachsenen Organismus zumindest in den Grundzügen darstellt. Die molekularen Mechanismen der Musterbildung in der Embryonalentwicklung von Tieren, wie zum Beispiel bei der Fruchtfliege Drosophila, sind im Detail analysiert worden. Im Gegensatz dazu ist erst in Ansätzen verstanden, wie die Grundzüge der Körperorganisation von Pflanzen, wie zum Beispiel bei Arabidopsis, in der Embryonalentwicklung 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 Max-Planck-Gesellschaft 1/7

2 Blütenpflanzen weisen eine doppelte Befruchtung auf, bei der zwei genetisch identische weibliche Keimzellen - die Eizelle und die Zentralzelle - in einer Samenanlage von zwei genetisch identischen Spermien eines Pollens befruchtet werden. Die befruchtete Zentralzelle bringt das Endosperm hervor, das zur Ernährung des Embryos beiträgt. Die befruchtete Eizelle bildet nicht nur den Embryo, sondern auch eine anhängende extraembryonale Struktur (Suspensor), die den Embryo im mütterlichen Gewebe der Samenanlage verankert. Normalerweise bringt eine Samenanlage von Arabidopsis nur einen Embryo hervor. Durch bestimmte Mutationen kann jedoch eine von zwei Hilfszellen, Synergiden genannt, die bei der Befruchtung den Pollenschlauch mit den Spermien anlocken, zu einer weiteren Eizelle werden. Erfolgt dann die Befruchtung durch Pollen mit überzähligen Spermien, so entstehen in einer Samenanlage Zwillingsembryonen, die sich zu Pflanzen entwickeln [1]. Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie/Bayer Video: 3D-Animation eines Arabidopsis-Embryos mit ppin1:pin1-gfp Expression Im Globularstadium ist der Auxin-Efflux-Carrier PIN1 (grün) an den basalen Enden der zentralen Zellen des Proembryos lokalisiert. Dadurch wird Auxin in den angrenzenden Suspensor transportiert und bestimmt dort das Schicksal der Hypophysenzelle. Pflanzenzellen sind von einer Zellwand umgeben, weshalb sie ihren Entstehungsort nicht verlassen können. Änderungen in der Gestalt des sich entwickelnden Embryos kommen dadurch zustande, dass einzelne Zellen oder Zellgruppen sich unterschiedlich schnell teilen und dass die Orientierung der Zellteilungsebene reguliert wird. Im Vergleich zum gleichaltrigen Embryo anderer Pflanzenarten besteht der Embryo von Arabidopsis thaliana aus weniger Zellen. Damit verbunden ist ein sehr regelmäßiges Zellteilungsmuster, das auf eine frühe Festlegung von Zellschicksalen hinzudeuten scheint [2]. De facto hängt das Schicksal einer Zelle jedoch nicht von ihrer Herkunft, sondern von ihrer Lage im sich entwickelnden Embryo ab. Frühe Embryonalentwicklung von Arabidopsis thaliana 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 wird durch charakteristische Zellteilungen mit wechselnden Orientierungen den Proembryo, das heißt, den Embryo ohne die Wurzelspitze, hervorbringen, und die basale Zelle durch wiederholte horizontale Zellteilungen einen fädigen extra-embryonalen Suspensor, der den Embryo in der Samenanlage verankert. Nur die oberste Zelle des Suspensors (rot in Abb. 1) wird sekundär ein embryonales Schicksal annehmen und die Bildung des Wurzelmeristems initiieren. Damit ist das Muster entlang der apikal-basalen Polaritätsachse mit den Hauptregionen apikal, zentral, basal und Suspensor etabliert. Quer zur apikal-basalen Achse wird ein radiales Muster aus konzentrisch angelegten Gewebeschichten gebildet [2] Max-Planck-Gesellschaft 2/7

3 A bb. 1: Zellteilungsm uster und Zellschicksale in der frühen Em bryogenese. (A ) Die Zygote streckt sich in der zukünftigen apikal-basalen Achse und teilt sich in eine kleinere apikale em bryonale (violett) und eine größere basale extraem bryonale (blau) Zelle. Diese beiden Zellen unterscheiden sich in der Genexpression, in der Orientierung der Zellteilungsebene und im Zellschicksal. (B) Durch charakteristische Zellteilungen entstehen das 8-Zell-Stadium des Proem bryos (violett, grün) und der fädige Suspensor (blau; die oberste Zelle (rot) nim m t sekundär em bryonales Schicksal an). Die Expressionsdom änen verschiedener Gene entsprechen verschiedenen Regionen des Em bryos (violett, apikal; grün, zentral; rot, basal). (C) Globularstadium ; (D) Herzstadium ; (E) Keim ling. Die frühem bryonalen Regionen bringen bestim m te Abschnitte der apikal-basalen Körperachse des Keim lings hervor. Die Zellteilungsebene der Zygote ist rot m arkiert; daraus entsteht eine klonale Grenze, die später durch das Wurzelm eristem verläuft (C-E). Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie/Bayer, Jürgens Die ersten Zellschicksale zu Beginn der Embryonalentwicklung Entstehung von Embryo und extra-embryonalem Suspensor Wie bereits beschrieben, teilt sich die Zygote von Arabidopsis in zwei verschieden große Zellen, die auch verschiedene Gene exprimieren und verschiedene Zellschicksale annehmen [3]. Die kleinere apikale Zelle bringt durch eine charakteristische Abfolge regulierter Zellteilungen einen kugelförmigen Proembryo hervor, während die größere basale Zelle durch wiederholte horizontale Zellteilungen einen fädigen Suspensor aus wenigen Zellen bildet. Die Entwicklungsentscheidung zwischen embryonaler Entwicklung der apikalen Tochterzelle und Suspensor- Entwicklung der basalen Tochterzelle wird schon in der Zygote durch eine Phosphorylierungskaskade mit der zentralen Kinase YODA beeinflusst. Dabei fördert YODA-Aktivität die Differenzierung zu Suspensorzellen. Umgekehrt führt Verlust von YODA-Aktivität zu Embryo-typischen Zellteilungsmustern im Suspensor und teilweise zur Bildung von Embryonen ohne erkennbaren Suspensor. Wird YODA experimentell in allen Zellen aktiviert, unterdrückt dies eine embryonale Entwicklung und es werden fadenförmige Strukturen gebildet, die nur aus Suspensorzellen bestehen. An der Aktivierung des embryonalen YODA-Signalwegs in der Zygote ist die membranständige Kinase SHORT SUSPENSOR (SSP) beteiligt (Abb. 2). Die Aktivierung erfolgt über einen ungewöhnlichen Mechanismus, der die YODA-Aktivität mit der Befruchtung der Eizelle zeitlich verbindet: Das SSP Gen ist während der Embryogenese nicht aktiv. SSP Transkripte werden ausschließlich in den Spermienzellen des reifen Pollens gebildet, wo sie jedoch nicht in Protein translatiert werden. Das SSP Protein wird erst nach Befruchtung in der Zygote erzeugt, nachdem die SSP Transkripte mit den Spermienzellen in die Eizelle gelangt sind [4]. Die zeitlich begrenzte 2016 Max-Planck-Gesellschaft 3/7

4 Anwesenheit des SSP Proteins an der Zygotenmembran scheint dabei ausreichend zu sein, um den embryonalen YODA-Signalweg anzuschalten. A bb. 2: Entstehung unterschiedlicher Zellschicksale zu Beginn der Em bryonalentwicklung. (A ) Die Sperm ienzellen bringen bei der Befruchtung SHORT SUSPENSOR (SSP) Transkripte zur Eizelle, die in der Zygote in SSP Protein translatiert werden. Die Aktivierung des em bryonalen YODA-Signalwegs durch SSP führt zur Streckung und asym m etrischen Teilung der Zygote. (B) YODA-Aktivität in der basalen Tochterzelle fördert die Entwicklung des Suspensors. Auxin wird durch den Auxin- Efflux-Carrier PIN7 von der basalen Zelle in die apikale Zelle transportiert. Der steigende Auxinspiegel führt dort zum Abbau des Inhibitors BDL und dam it zu einer Auxinantwort, die durch den Transkriptionsfaktor MP verm ittelt wird und die Entwicklung des Proem bryos fördert. In der basalen Zelle hingegen wird - nach Abbau des Inhibitors IAA10, eine von ARF9 und ARF13 verm ittelte Auxinantwort - zusam m en m it dem YODA-Signalweg - das Suspensorschicksal fördern. Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie/Bayer, Jürgens Die frühe Aktivierung des YODA-Signalwegs durch SSP trägt zu der für Brassicaceae typischen, strikten Musterbildung im frühen Embryo bei. Verlust von SSP-Aktivität führt zu inkorrekten Zellidentitäten im Bereich zwischen Embryo und Suspensor und zu einer deutlichen Verzögerung der Embryogenese [5]. Neben dem embryonalen YODA-Signalweg spielt auch das Pflanzenhormon Auxin eine zentrale Rolle bei der Ausbildung des Embryos. Wie embryonaler YODA-Signalweg und Auxin-Antwort auf molekularer Ebene zusammenarbeiten, ist noch ungeklärt. Auxin und die Hauptachse der Polarität Auxin ist das einzige bekannte Pflanzenhormon, das gerichtet transportiert wird. Dieser gerichtete Transport wird durch Auxin-Efflux-Carrier der PIN-Familie bewirkt, die in der Plasmamembran auf einer Seite der Zelle lokalisiert sind und Auxin aus der Zelle befördern. Zwei Mitglieder der PIN-Familie, PIN1 und PIN7, spielen in 2016 Max-Planck-Gesellschaft 4/7

5 der frühen Embryogenese eine wichtige Rolle [6]. Nach der Teilung der Zygote wird PIN7 in der basalen Tochterzelle exprimiert und in der Plasmamembran an der Grenze zur apikalen Tochterzelle der Zygote lokalisiert (Abb. 3). Dadurch kommt es zur Akkumulation von Auxin in der apikalen Tochterzelle und dem daraus entstehenden Proembryo. Auxin wird in den Zellen nicht direkt, sondern zumeist durch Auxin-induzierte Reportergenexpression nachgewiesen. Wenn der Embryo aus 32 Zellen besteht, kommt es zur Neusynthese von Auxin im oberen Teil des Embryos und es werden PIN1 und PIN7 an die basalen Seiten der Zellen umgelagert [6, 7] (Abb. 3C). Dadurch wird der Auxin-Transport nach unten gerichtet und es kommt zur Akkumulation von Auxin am basalen Ende des Embryos, wo das Wurzelmeristem entsteht. Diese Verteilung des Auxins bleibt bis zum Ende der Embryonalentwicklung erhalten [6]. A bb. 3: Auxin-Transport und Auxin-Antwort in der frühen Em bryogenese.(a ) Auxin wird von PIN7 (violette Linie) aus der basalen Zelle transportiert (violetter Pfeil) und akkum uliert in der apikalen Zelle (grün), in der der Transkriptionsfaktor MP und sein Inhibitor BDL exprim iert werden (blauer Punkt). (B) Im 8-Zell-Stadium wird Auxin in den Nachkom m en der apikalen Zelle (Proem bryo; grün) akkum uliert, da PIN1 (rote Linien) im Gegensatz zu PIN7 (violette Linien) keine polare Lokalisierung aufweist. (C) Im Globularstadium sind PIN1 und PIN7 an den basalen Enden der Zellen lokalisiert (dicke rote bzw. violette Linie), Auxin wird daher nach unten transportiert (roter Pfeil) und akkum uliert am Wurzelende des Em bryos (grün). Der basale Auxin-Transport hängt von der Auxin- Antwort im Proem bryo ab; nach Abbau von BDL aktiviert MP die Synthese von PIN1 und dem Transkriptionsfaktor TMO7 (gelbe Punkte), der in die angrenzende Suspensorzelle wandert (gelbe Pfeile) und zusam m en m it Auxin das Schicksal dieser Zelle (H; grün) bestim m t. Die violetten und roten Pfeile geben die Richtung des Auxin Flusses an. Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie/Bayer, Jürgens Die Auxin-Antwort im jungen Embryo wird durch den Transkriptionsfaktor MONOPTEROS (MP; auch als AUXIN RESPONSE FACTOR 5, ARF5, bezeichnet) und seinen Inhibitor BODENLOS (BDL, alias IAA12) vermittelt [7]. In Abwesenheit von Auxin verhindert der Inhibitor BDL die Aktivierung von Auxin-induzierbaren Genen durch MP, während die Akkumulation von Auxin zum Abbau von BDL und damit zur Freisetzung von MP führt. Interessanterweise bewirkt MP auch die Expression seines Inhibitors BDL und seine eigene Expression. Damit hat dieses Modul der Auxin-Antwort die Fähigkeit, in Auxin abhängiger Weise von geringer Expression auf stabile hohe Expression umzuschalten [8]. Es eignet sich somit für die Festlegung von Zellschicksal während der Entwicklung. MP und BDL werden nur im Proembryo exprimiert, aber für die Änderung des Schicksals der angrenzenden Suspensorzelle (H, Abb. 3C) benötigt [7]. Diese nicht-autonome Wirkung der Auxin-Antwort wird offenbar durch zwei nachgeschaltete Vorgänge vermittelt: In Abhängigkeit vom Auxinpegel steuert MP die Expression 2016 Max-Planck-Gesellschaft 5/7

6 von PIN1 und damit indirekt den Transport von Auxin zur obersten Suspensorzelle. Darüber hinaus ist MP auch für TMO7 Expression verantwortlich. Der Transkriptionsfaktor TMO7 bewegt sich aus dem unteren Bereich des Proembryos in die benachbarte Suspensorzelle und beeinflusst deren Schicksal dahingehend, dass embryonales Wurzelmeristem angelegt wird [9]. Die MP-abhängige Akkumulation von Auxin in der obersten Suspensorzelle bewirkt eine weitere Auxin-Antwort, die ebenfalls für die Festlegung des Schicksals dieser Zelle auf die Initiierung des Wurzelmeristems von Bedeutung ist. Dieses zweite Modul in der Embryogenese besteht aus den Transkriptionsfaktoren ARF9 und ARF13 sowie aus dem Inhibitor IAA10, die alle in den Suspensorzellen exprimiert werden (Abb. 2, 3; [10]). Wird diese Auxin-Antwort unterdrückt, dann exprimiert der Suspensor embryonale Markergene, und es können Zwillingsembryonen entstehen. Die Forschung in den kommenden Jahren wird zeigen, wie sich die Auxin-Antworten in Proembryo und Suspensor unterscheiden und welche Zielgene jeweils beeinflusst werden. Weiterhin gilt zu klären, wie Auxin- Antwort und YODA Signalweg auf molekularer Ebene bei der embryonalen Musterbildung zusammen arbeiten. Literaturhinweise [1] Kong, J.; Lau, S.; Jürgens, G. Twin plants from supernumerary egg cells in Arabidopsis Current Biology 25, (2015) [2] Jürgens, G.; Mayer, U. Arabidopsis In: EMBRYOS. Colour Atlas of Development. J.B.L. Bard (ed.), pp Wolfe Publishing, London (1994) [3] Slane, D.; Kong, J.; Berendzen, K.W.; Kilian, J.; Henschen, A.; Kolb, M.; Schmid, M.; Harter, K.; Mayer, U.; De Smet, I.; Bayer, M.; Jürgens, G. Cell type-specific transcriptome analysis in the early Arabidopsis thaliana embryo Development 141, (2014) [4] Bayer, M.; Nawy, T.; Giglione, C.; Galli, M.; Meinnel, T.; Lukowitz, W. Paternal control of embryonic patterning in Arabidopsis thaliana Science 323, (2009) [5] Babu, Y.; Musielak, T.; Henschen, A.; Bayer, M. Suspensor length determines developmental progression of the embryo in Arabidopsis Plant Physiology 162, (2013) [6] Friml, J.; Vieten, A.; Sauer, M.; Weijers, D.; Schwarz, H.; Hamann, T.; Offringa, R.; Jürgens, G. Efflux-dependent auxin gradients establish the apical-basal axis of Arabidopsis Nature 426, (2003) [7] Weijers, D.; Schlereth, A.; Ehrismann, J.S.; Schwank, G.; Kientz, M.; Jürgens, G. Auxin triggers transient local signaling for cell specification in Arabidopsis embryogenesis Developmental Cell 10, (2006) 2016 Max-Planck-Gesellschaft 6/7

7 [8] Lau, S.; De Smet, I.; Kolb, M.; Meinhardt, H.; Jürgens, G. Auxin triggers a genetic switch Nature Cell Biology 13, (2011) [9] Schlereth, A.; Moeller, B.; Liu, W.; Kientz, M.; Flipse, J.; Rademacher, E.H.; Schmid, M.; Jürgens, G.; Weijers, D. MONOPTEROS controls embryonic root initiation by regulating a mobile transcription factor Nature 464, (2010) [10] Rademacher, E.H.; Lokerse, A.S.; Schlereth, A.; Llavata-Peris, C.I.; Bayer, M.; Kientz, M.; Freire Rios, A.; Borst, J.W.; Lukowitz, W.; Jürgens, G.; Weijers, D. Different auxin response machineries control distinct cell fates in the early plant embryo Developmental Cell 22, (2012) 2016 Max-Planck-Gesellschaft 7/7