Pylové láčky vyklíčené v pylu lilie ( Lilium sp. ) (nahoře) a kamélie japonské ( Camellia japonica L. ) (dole) |
Pylová láčka ( lat. tubus pollinicus ) je cytoplazmatický tubulární výrůstek vegetativní buňky pylového zrna semenných rostlin [1] [2] [3] [4] . Pylová láčka zajišťuje dodání samčích gamet do místa oplodnění [1] . Tento způsob dodání gamet se označuje jako sifonogamie [5] [6] .
Ke vzniku pylové láčky dochází při klíčení pylových zrn, která se ocitnou v optimálních podmínkách. Pylová zrna se uvolňují z mikrosporangií ve stavu fyziologické dormance : dehydratovaná a s extrémně pomalým metabolismem . Klíčení pylových zrn v tomto ohledu předchází obnovení jeho vodního stavu (rehydratace), které je doprovázeno změnou tvaru a obnovením objemu zrna (harmomegatie) [7] [8] . Rehydratace iniciuje aktivaci metabolických procesů v protoplastu vegetativní buňky pylového zrna , které tvoří trubici.
V laboratorních podmínkách je celkem snadné zvolit vhodné podmínky a zajistit klíčení pylových zrn v kultuře in vitro . Vzhledem ke snadné kultivaci na umělých médiích slouží pylové láčky jako modelový systém pro studium vzorců růstu polárních buněk, který je také charakteristický pro kořenové vlásky , protonema mechu , houbové hyfy a axony nervových buněk [9] [10 ] . Kromě toho pylové zrno a pylová láčka slouží jako vhodný model pro studium uvolňování buňky ze stavu fyziologické dormance.
V přirozených podmínkách dochází ke klíčení pylových zrn po opylení . Opylení lze definovat jako proces přenosu pylu pomocí vektoru na povrch blizny pestíku ( u krytosemenných rostlin ) nebo do oplodňovací kapky (u většiny nahosemenných rostlin ). Nejčastěji množství pylu a vzniklých pylových láček na blizně nebo v embryonální komoře převyšuje počet vajíček, která lze oplodnit, takže pylové láčky spolu soutěží [5] [11] .
Pylová láčka krytosemenného po vyklíčení roste směrem k zárodečnému vaku a zajišťuje dodání samčích gamet bez bičíkatých (spermií) pro dvojité oplodnění [1] . Směr růstu zajišťuje komplexní systém chemoatrakce [1] [12] [13] . U krytosemenných rostlin dochází k růstu pylové láčky podél vodivé dráhy typu pestíku , což může být vodivá tkáň a/nebo specializovaný kanál typu naplněný zvláštním tajemstvím [14] .
Po dosažení embryonálního vaku do něj vstoupí pylová láčka a praskne, čímž se uvolní cytoplazma obsahující spermie. U typu následuje fúze jedné ze spermií s vajíčkem a druhé spermie s diploidní centrální buňkou (dvojité oplodnění).
Jeden z prvních, avšak chybných, popisů pylové láčky podal skotský botanik Robert Brown (1773-1858). Brown v některých případech vysledoval tvorbu pylové láčky z pylového zrna k vaječníku a mikropylu vajíčka . Přesto se domníval, že pylové láčky se mohou objevit i ve tkáni sloupce nezávisle na pylových zrnech [15] .
Většího úspěchu ve svých pozorováních dosáhl italský botanik Giovanni Battista Amici (1786-1863). V roce 1823 Amici při zkoumání stigmatu portulaky ( Portulaca oleracea ) prokázali klíčení pylových zrn a pronikání pylových láček do tkáně blizna [16] [5] .
O něco později, v roce 1827, podobná pozorování velkého počtu stigmat provedl francouzský botanik Adolphe Theodore Brongniart (1801-1876) [15] .
Později, v roce 1830, se Amici vrátili ke studiu růstu pylové láčky a s jistotou prokázali na portulaku a ibišku ( Hibiscus syriacus ), že pylová láčka vytvořená z pylových zrn na blizně prorůstá stylem a proniká do vaječníku a dále do vajíčka [15] . Německý botanik Matthias Schleiden vyslovil neověřenou hypotézu, že pylová láčka na svém konci nese zárodek malé rostlinky a zárodečný váček vajíčka slouží jako inkubátor, ve kterém zárodek dozrává [15] . Takovýto mylný pohled na rozmnožování rostlin byl zjevně ovlivněn preformismem 17. a 18. století. S podobným názorem souhlasil i Schleidenův mladý německý botanik, Schleidenův asistent Hermann Schacht [15] . Amici s tímto názorem nesouhlasili a na sjezdu italských přírodovědců v Padově v roce 1842 navrhli, aby pylová láčka zaváděla do vajíčka oplodňující látku, která slouží k dalšímu vývoji embrya ( epigeneze ). V roce 1847 Amici na orchis ( Orchis sp. ) podrobně demonstruje proces klíčení pylové láčky, její růst a další pronikání do vajíčka. Amici zároveň upozorňuje i na to, že ve vajíčku se před průnikem pylové láčky nachází „zvláštní tělísko“ neboli „embryonální váček“, který se vlivem pylové láčky začíná vyvíjet a následně tvoří embryo rostliny [15] .
Pylem se zabývá i český botanik Jan Evangelista Purkinje (1787-1869) [15] . Významnou práci „O struktuře a formách pylových zrn“ klasifikující pylová zrna v roce 1834 publikoval vynikající německý botanik Hugo Von Mol [15] . Botanik Carl Fritzsche (1808-1871) pokračuje v morfologických studiích pylu, pracuje v Petrohradské akademii věd a v roce 1837 publikuje své dílo O pylu [15] . Vznik pylových zrn z mateřských buněk prokázal Carl Wilhelm von Negeli ve svém díle z roku 1842 „O historii vývoje pylu“ [15] .
Pyl mnoha rostlin může klíčit na umělých médiích in vitro . Úspěch pěstování závisí na řadě faktorů:
U řady rostlin (někteří zástupci Orchid ) klíčí pyl ve vodě s nízkým obsahem minerálních solí a bez sacharózy. I když dlouhodobý růst není možný.
Role Ca 2+ a H 3 BO 3Z minerálních solí hraje nejdůležitější roli při klíčení zrn a růstu pylových láček v mnoha druhy . Současně může v některých případech, jako například u kukuřice , přidání těchto složek samostatně snížit procento klíčivosti a v některých případech i rychlost růstu [19] . Kombinovaný přídavek vápníku a boru však zpravidla zvyšuje jak procento klíčení, tak rychlost růstu naklíčených trubic [19] .
Ostatní složky minerální výživyPro optimalizaci klíčení a růstu se do média zpravidla přidávají další soli ( K + , NO 3 - ).
Obzvláště obtížné je dosáhnout úspěšné kultivace pylu zástupců čeledí Cereals (Gramineae) , Heathers (Ericaceae) , Compositae (Compositae) , Len (Linaceae) [20] .
Morfologicky je pylová láčka výrůstkem vegetativní buňky samčího gametofytu kvetoucích rostlin. Uvnitř vegetativní buňky lze kromě jádra a dalších organel najít generativní buňku (ve dvoubuněčných pylových zrnech) nebo dvě spermie (ve tříbuněčných pylových zrnech). Pokud je pylové zrno dvoubuněčné, pak během růstu pylové láčky dochází k mitóze jádra generativní buňky a cytokinezi, která má za následek vznik dvou spermií.
Jak pylová láčka roste, vegetativní jádro a dvě spermie, které společně tvoří modul samčí gamety (mužská zárodečná jednotka, MGU), se pohybují vpřed a zaujímají místo blízko rostoucího vrcholu rourky. Dostanou se tak do zárodečného vaku, kde se oplodní [2] .
Rostoucí pylová láčka je charakterizována zónováním cytoplazmy [4] [21] [22] . Lze rozlišit následující domény (počínaje rostoucím vrcholem):
V důsledku opylení přistávají pylová zrna na bliznu pestíku . Bez pohybových orgánů dosahuje pylové zrno růstem stejných cílů, kterých by bylo možné dosáhnout pomocí pohybových orgánů (v tomto ohledu je pylové zrno podobné orgánům vyšších zelených rostlin ) [2] .
Poté, co se dehydratované pylové zrno dostane na bliznu pestíku, dochází k jeho rehydrataci, aktivuje se metabolismus, polarizuje se cytoplazma vegetativní buňky a začíná polární řízený růst.
K rehydrataci dochází díky proudění vody z tkání stigmatu, přičemž se obnovuje objem a tvar pylu. V důsledku rehydratace jsou tedy otvory - oblasti, ve kterých chybí vnější obal pylového zrna ( exine ), vystaveny vnějšku.
V hydratovaném pylovém zrnu se aktivuje dýchání, syntéza bílkovin a iontové proudy.
Polarizace zahrnuje: reorganizaci cytoskeletu, migraci generativní buňky (ve tříbuněčných zrnech - spermii), vegetativního jádra, váčků Golgiho aparátu a mitochondrií do otvoru, v jehož oblasti vyklíčí pylová láčka .
Zdá se, že ze všech ostatních buněk s polárním růstem mají pylové láčky krytosemenných rostlin nejvyšší rychlost prodlužování za optimálních podmínek [23] . Zároveň se u krytosemenných rostlin rychlost růstu pylové láčky u různých druhů velmi liší od 10 do více než 20 000 μm h −1 [23] . Pro srovnání, průměrná rychlost prodlužování axonů neuronů a kořenových vlásků je asi 20–50 μm h −1 [24] . Takové rozdíly nejsou překvapivé, protože v případě pylové láčky je cílem přirozeného výběru doručit spermie co nejrychleji do embryonálního vaku k oplodnění. To je důvod, proč v generacích existuje selekce genů , které mohou zajistit nejvyšší rychlost růstu pylové láčky v měnících se podmínkách prostředí; s povinným zachováním směru [5] .
Níže uvedená tabulka ukazuje průměrné rychlosti růstu pylových láček za optimálních podmínek pro některé druhy rostlin. Je třeba poznamenat, že k prodloužení trubky nedochází při nulovém zrychlení , to znamená, že růst je nerovnoměrný.
rostlinný typ | Průměrná rychlost růstu, μm h −1 | Odkaz |
---|---|---|
Lilium sp. (Lilie) | 720–1080 | [11] [24] |
Oenothera sp. (Oslinnik) | 6 500 | [25] [26] |
Zea sp. (Kukuřice) | 10 080 | [jedenáct] |
Tradescantia sp. (Tradescantia) | 14 400 | [27] [24] [4] |
Hemerocallis sp. (denní lilie) | 14 400 | [27] [24] [4] |
Cichorium intybus (čekanka) | 39 000 | [1] [28] |
Rychlý polární růst je možný pouze za podmínek intenzivního energetického metabolismu , při kterém se energie polymerů uložených v pylových zrnech nebo energie látek přicházejících zvenčí přeměňuje na konvertibilní formu buněčné energie - adenosintrifosfát (ATP) [29] .
Spotřeba kyslíku Cytoplazmatická glykolýza Glykolýza plastidů FermentaceAlkoholová fermentace zahrnuje dvě po sobě jdoucí reakce [1] :
Podle obecně uznávaného názoru slouží různé formy fermentace k využití kyseliny pyrohroznové, která vzniká při glykolýze a regeneraci oxidačního činidla - NAD + [29] . NAD + je vyžadován k udržení glykolytické oxidace hexózy a syntézy ATP během fosforylace substrátu za anoxických (anaerobních) podmínek. Taková role je přisuzována fermentaci v rostlinách, například při klíčení semen , nedostatek kyslíku v kořenech v důsledku zaplavení [1] [30] . Bylo však prokázáno , že pylové láčky řady rostlin ( petúnie a tabák ) produkují během alkoholové fermentace značné množství etanolu (až 100 mM) i za podmínek dobrého přívodu kyslíku (aerobní fermentace) [31] . Přitom na rozdíl od sporofytních pletiv vegetativních orgánů není hlavním faktorem řídícím intenzitu fermentace dostupnost kyslíku, ale sacharidové složení média [32] . Vyřazení genu alkoholdehydrogenázy v kukuřici , klíčového enzymu alkoholové fermentace odpovědného za redukci acetaldehydu a regeneraci NAD + , však nevede ke snížení životaschopnosti pylu [33] . Tato skutečnost svědčí o vysoké plasticitě metabolismu a schopnosti regenerace NAD + jinými mechanismy, především prací elektronového transportního řetězce dýchání.
Komplex pyruvátdehydrogenázy a jeho cytoplazmatický zkratVe vegetativní buňce samčího gametofytu, stejně jako u většiny ostatních organismů, vstupuje pyruvát vzniklý jako výsledek glykolýzy do mitochondriální matrix , kde podléhá oxidativní dekarboxylaci za účasti komplexu pyruvátdehydrogenázy (PDH), což má za následek tvorba acetyl-CoA , který je pak zapojen do Krebsova cyklu [30••] .
Kromě toho bylo prokázáno fungování cytoplazmatické dráhy posunující pyruvátdehydrogenázový komplex (PDC shunt nebo PDH bypass ) [11] [34] [35] [36] . Tento zkrat zahrnuje sekvenční:
Acetyl-CoA vytvořený v cytoplazmě je transportován do mitochondriální matrix , kde vstupuje do biochemických reakcí Krebsova cyklu . Význam cytoplazmatického zkratu pyruvátdehydrogenázového komplexu mitochondrií je potvrzen geneticky. Například u petúnie ( Petunia hybrida ) s nefunkčním genem pro pylu specifickou pyruvátdekarboxylázu ( pdc2 ) je pozorováno snížení rychlosti růstu in vitro . A za podmínek in vivo, kdy rostou v tkáních pestíků, pyl s knockoutem genu pdc2 ztrácí konkurenci s pylem divokého typu [36] .
Krebsův cyklus Alternativní oxidáza : zkrat III a IV komplexy elektronového transportního řetězce dýcháníNeexistuje jednoznačný názor na přítomnost alternativní oxidázy (AOX) v mitochondriích pylové láčky. Na jedné straně transkriptomické studie prokazují přítomnost mRNA AOX1A a AOX1B v pylu modelové rostliny Arabidopsis thaliana , a to jak ve fázi klíčení zrna, tak ve fázi růstu trubice. [37] Na druhou stranu studie proteomu dosud neodhalily alternativní oxidázu (AOX) v samčím gametofytu semenných rostlin [38] [39] .
ATP poskytuje na plazmatické membráně generování jiné formy přeměnitelné buněčné energie - transmembránového elektrochemického gradientu protonů - Δμ(H + ). Generaci Δμ(H + ) v pylové lejce, stejně jako ve všech ostatních rostlinných buňkách, zajišťuje H + -ATPáza plazmalemy typu P . Δμ(H + ) může být použit jinými transmembránovými transportními systémy jako zdroj energie pro transport látek přes membránu proti jejich gradientu.
Syntéza polysacharidů buněčné stěny Exocytóza a endocytóza Pohyb cytoplazmy Maticové procesy a syntéza proteinů (překlad)Za předpokladu, že nedojde k odmítnutí pylových zrn (v tomto procesu hrají významnou roli různé proteiny), pylová láčka začíná polární růst směrem k zárodečnému vaku. Mechanismy orientace pylové láčky v tkáni pestíku nejsou dobře známy. Předpokládá se, že pylová láčka roste ve směru chemických signálů, navíc směr růstu mohou zajistit podmínky prostředí.
Polární růst je charakterizován lokální sekrecí materiálu membrány a materiálu buněčné stěny na konci růstové trubice. Růst pylových láček je jedním z nejrychleji rostoucích procesů mezi živými organismy.
V závislosti na tom, jak pylové láčky vstupují do vajíčka , se tento proces dělí na následující typy [40] :
U nahosemenných rostlin se pylová láčka tvoří v pylové komoře vajíčka. Trubice je zapuštěna ve tkáni nucellu a slouží jako přísavka, která přijímá živiny nebo zajišťuje průchod samčích gamet do primárního endospermu. U některých rostlin látky podporující klíčení v blizně a pestíku indukují chemotropismus v pylové lůčce a řídí její růst.
Slovníky a encyklopedie |
---|