Růstové vrcholy rostlin

Jak rostliny rostou

Vrcholy stonků opětovně produkují listy a příslušné články stonku – internodia (obrázek 2). V paždí listů se posléze zakládají nové pupeny, z nichž mohou vyrůstat postranní větve s dalšími listy, internodii a pupeny. A to jsou veškeré orgány nekvetoucí rostliny. Složitost a rafinovanost rostlin spočívá v něčem jiném – ve schopnosti přizpůsobit svůj růst okolním podmínkám.

Funkce vrcholu nespočívá však jen v opakované tvorbě orgánů, ale také ve stálém udržování zdroje buněk, ze kterých tyto orgány mohou vznikat. Říkáme jim kmenové buňky a jsou funkčně podobné kmenovým buňkám živočichů. V průběhu jejich dělení vznikají stále stejné totipotentní buňky (tj. schopné přeměnit se v buňky libovolného typu, plnící v rostlině různé funkce). Pomalejší dělení kmenových buněk zmenšuje pravděpodobnost mutací a přispívá ke genetické stálosti. Kmenové buňky se nacházejí uprostřed vrcholu, v centrální zóně (obrázek 3). Jejich potomstvo jednak ustupuje do stran, do periferní zóny, která se stává zdrojem pro periferní zakládání a růst listů i pupenů, jednak sestupuje dolů do zóny žebrového meristému, ze kterého roste stonek.

Podstatný rozdíl mezi rostlinnými a živočišnými kmenovými buňkami je v tom, že rostlinné kmenové buňky a jejich potomstvo jsou již od svého vzniku pevně spojeny společnou buněčnou stěnou. S tím souvisí také uspořádání povrchových buněk do souvislé tuniky (vrstev s buněčným dělením převážně kolmým na povrch vrcholu). Uvnitř vrcholu, v korpusu, se buňky dělí různými směry tak, aby se zachovala soudržnost pletiv. Působení tlaků a tahů je tu víceméně stejné ve všech směrech. V tunice tomu tak ale není, a zejména horní vrstva se značně odlišuje od vnitřku nestejným rozložením mechanických sil.

Ačkoliv struktura nadzemních vrcholů růz ných rostlin byla podrobně popsána již v polovině minulého století, nejvíce vědomostí o funkci vrcholu pochází ze současného studia biologie huseníčku rolního (Arabidopsis thaliana, viz Vesmír 78, 256, 1999/5).

Funkce kmenových buněk ve stonkovém vrcholu je udržována genem WUSCHEL (WUS). Jeho aktivita je omezena pouze na několik buněk centrální zóny těsně pod tunikou (obrázek 3). S postupujícím buněčným dělením v centrální zóně se aktivita WUS stále posunuje nahoru a zůstává omezena na malou oblast vrcholu. Je za to odpovědný gen CLAVATA (CLV). Jeho produkt, poměrně malý protein CVL3, vzniká v tunice centrální zóny, tedy nad oblastí aktivity WUS, a váže se na receptory obsahující proteiny CLV2 a CLV3. Následkem mutace v genech CVL se zvětší oblast s aktivitou WUS i celá centrální zóna. Předpokládá se, že existuje zpětnovazební smyčka WUS/CLV, která udržuje funkci stonkového vrcholu v normě.

Jak je regulována tvorba listů a proč mají listy pravidelné umístění na stonku

Potomstvo kmenových buněk, které se přesouvá do periferní zóny, je zdrojem pro zakládání listů. Velmi záhy po vzniku listového základu se připravuje odlišení budoucí svrchní a spodní plochy listu. Nejpozoruhodnější stránkou zakládání listů je ovšem jejich pravidelné rozmístění na stonku, jež se řídí pravidly fylotaxe. Nejčastější je spirální fylotaxe, připomínající Fibonacciho matematickou posloupnost (obrázek 4). Pozoruhodné je zachovávání stejné úhlové vzdálenosti mezi následujícími listy, která u spirální fylotaxe zhruba odpovídá zlatému úhlu 137,5°. U některých druhů se sice zakládají zároveň dva nebo i více listů v jednom patře, ale podstatným rysem fylotaxe je její stálost pro daný druh a fázi vývoje. Pravidla fylotaxe, která lze vyjádřit matematickými vzorci, již dávno fascinovala botaniky a inspirovala je k různým spekulacím. V současné době se vracíme k úloze fytohormonu auxinu a jeho směrovanému transportu v rostlině. Pozornost se obrací opět k modelové rostlině huseníčku.

V dospělých částech rostlin – ve stoncích, kořenech a listech – je auxin transportován shora dolů, přestože cytoplazmatická membrána buněk je pro auxin neprostupná. Transportéry auxinu, které tuto bariéru překonávají, jsou proteiny z rodiny PINFORMED (PIN). Nacházejí se v buněčné membráně obvykle na spodu buňky a umožňují souvislý tok auxinu rostlinou shora dolů. Taková polarizace buněk a nakonec celých pletiv je dynamická (viz Vesmír 86, 756, 2007/12). Vzniká, udržuje se a také se za určitých okolností mění díky neustálé cirkulaci váčků s PIN mezi cytoplazmatickou membránou a vnitřkem buňky. Pohyb a metabolizmus proteinů PIN závisí mimo jiné na přítomnosti auxinu (zpětná vazba).

Zdá se, že v buňkách stonkových vrcholů, v tunice, jsou proteiny PIN lokalizovány spíš na horní straně cytoplazmatické membrány. Proto je auxin v tunice stonkových vrcholů transportován nahoru. Po založení listu transport auxinu mění směr a obrací se dolů, kde vyvolává diferenciaci vodivých pletiv uvnitř mladého listu (obrázek 5). A tak založení dalšího listu jako by čekalo na další přísun dostatečného množství auxinu do vrcholu. To v rostoucím vrcholu nastane až v určité vzdálenosti od dříve založených listů, které se již mezitím staly místem odtoku auxinu.

Co je to větvení vrcholu a kdy začíná

Zakládání a růst pupenů v paždí založených listů je potenciálním zdrojem větvení rostlin. Zakládání pupenů začíná s malým zpožděním za listy a probíhá o něco hlouběji než zakládání listů (obrázek 6). Většina založených pupenů zůstává dormantní, „spící“. Zda z pupenu nakonec vyroste větev, velmi závisí na podmínkách prostředí – na světle, na dostupnosti vody a živin, na teplotě a na fytohormonech, především (ale nejen) na auxinu. Každý pupen a z něho vyrůstající větev má svůj vrchol, který – podobně jako hlavní vrchol – musí zajišťovat jak zachování svých kmenových buněk, tak umožňovat dělení potomstva těchto buněk při tvorbě orgánů.

Genetické analýzy mutantů s enormním větvením a zvýšenou hladinou auxinu vnesly nové světlo do představ o regulaci větvení. Geny MORE AXILLARY BRANCHING (MAX) u huseníčku a podobné geny u hrachu nebo petunie potlačují větvení a rovněž snižují schopnost transportu auxinu. Větvení rostlin je tedy opět regulováno směrovaným transportem auxinu, který závisí na tvorbě proteinů PIN. A biosyntéza PIN závisí na biosyntéze flavonoidů, která je zase silně závislá na podmínkách prostředí. A máme tu jednu z příčin vysoké citlivosti větvení na aktuální podmínky stanoviště.

Jiné údaje pak mluví o tom, že auxin zvyšuje syntézu a export jiného fytohormonu, cytokininu, z kořenů, popřípadě i jeho syntézu v pupenech – a to je další součást regulace větvení.

Co se děje ve vrcholu, než rostlina začne kvést

Přechod k reprodukci je závažnou změnou v životě rostlin a stejně důležitý je i pro nás, kteří jsme na rostlinné produkci závislí. Jeho správné načasování je výsledkem rafinované adaptace rostlin na rozmanité sezonní a klimatické proměny. Tak vznikla u některých rostlin kladná reakce na období snížených teplot (jarovizace) nebo reakce na určité rozmezí délky dne (fotoperiodizmus) i jiné, méně nápadné reakce.

Požadavek co nejdelšího dne logicky vyplý vá z toho, že rostliny získávají energii ze slunce. Jsou však i druhy neschopné kvést právě v podmínkách dlouhého dne. Naopak vyžadují pro kvetení krátký den. To bylo velké překvapení a následoval zvýšený zájem mnoha laboratoří po celém světě. Přínosem nových studií bylo například vysvětlení barevného „vidění“ rostlin (tj. příjmu a zpracování světelných signálů pomocí barevných fotoreceptorů; viz článek P. Smýkala - Vesmír 87, 230, 2008/4).

Brzy se zjistilo, že signál délky dne je přijímán listy, nikoliv vrcholem. Z listů pak něco putuje do vrcholů, a teprve tam vyvolává kvetení bez ohledu na to, jaké fotoperiodě byl vystaven vrchol. Rafinované pokusy s roubováním krátkodenních rostlin na dlouhodenní a dlouhodenních na krátkodenní jednoznačně ukázaly, že látka, která se transportuje z listů do vrcholu, je univerzální pro všechny kvetoucí rostliny. Pokusy izolovat a identifikovat tuto látku, nazvanou florigen, se přes opakované snahy dlouho nedařily. A přece bylo zřejmé, že florigen funguje. Vzniká v listech vystavených správné délce dne, transportuje se do vzdáleného vrcholu a tam vyvolává kvetení.

Nakonec do problému zasáhly metody molekulární biologie a její oblíbený rostlinný model – huseníček, jehož kvetení je urychleno dlouhým dnem, sníženými teplotami a fytohormonem giberelinem.

Dlouhé dny aktivují gen CONSTANS (CO). Jeho aktivita a stabilita jeho informační RNA (mRNA) závisí na světle. Protein CONSTANS aktivuje gen FLOWERING LOCUS T (FT) ve vodivém pletivu listů. Produkt tohoto genu, protein FT, byl nalezen jak ve vodivém pletivu, tak přímo ve vrcholu. Jelikož má malé rozměry, může procházet mezi podnoží a roubem a také prochází až do vrcholu, přes dosud nediferencovaná vodivá pletiva.

Význam proteinu FT jako květotvorné látky se potvrdil i u dalších rostlin – u krátkodenní rýže, tabáku, dýně a merlíku červeného a rovněž u rajčete, kvetoucího bez ohledu na délku dne. Je zajímavé, že do stejné rodiny genů jako FT patří také gen TERMINAL FLOWER (TFL), který má opačný účinek než florigen – brání nástupu kvetení.

Paralelně s genem FT působí gen LEAFY (LFY), rovněž jako následek předchozí aktivace genu CONSTANS. Následkem mutace v tomto genu roste místo květu jen další olistěná větvička. A naopak, kombinovaná aktivace genů FT a LFY způsobila u huseníčku extrémně rychlý nástup kvetení.

Jak funguje florigen ve vrcholu? U huseníčku se zjistilo, že se protein FT váže ve vrcholu na protein FLOWERING LOCUS D (FD). Svým výskytem v jádře a strukturou je FD uzpůsoben k vazbě na jadernou DNA a ovlivňuje její transkripci (je transkripčním faktorem). Ve vrcholech se FD nalézá ještě před fotoperiodickou indukcí listů, ale zřejmě až v komplexu s FT vyvolává tvorbu květních orgánů. (Podrobněji o florigenu v článku P. Smýkala na s. 230.)

A co dál? Je florigen dostatečným signálem, spouštějícím automaticky všechny další již dávno známé změny vrchového růstu?

Obecně platným znakem přechodu ke kvetení u všech kvetoucích rostlin je zrychlení buněčného dělení, hlavně v centrální zóně. Tím centrální zóna ztrácí svou odlišnost. Patrně jde o potlačení projevů WUS a postupné doznívání funkce kmenových buněk v důsledku zakončení růstového vrcholu květem. Obecně platným znakem je rovněž zvětšení vrcholu a urychlené zakládání listů. Následující růst založených listů je ovšem zpomalen a výsledkem jsou stále menší a menší listy, nakonec jen listeny a listence. Naproti tomu růst pupenů v paždí listů bývá nápadně stimulován. Urychlené větvení vrcholu se tak stává první viditelnou známkou přechodu od vegetativního růstu ke kvetení a k pohlavnímu rozmnožování.

Známe také rozdíly mezi rostlinami. Např. u trav rostou vrcholy ještě před větvením do délky, u hvězdnicovitých spíše do šířky, u brukvovitých od určitého okamžiku listy zcela zakrní, u jiných jsou jen menší, jednodušší, popřípadě bez řapíku. Také větvení má různé projevy. S tím souvisejí dobře známé rozdíly mezi rostlinami v konečné stavbě květenství (obrázek 8 a obrázek 9).

Lze se tedy domnívat, že celá kaskáda změn je výsledkem pouhé přítomnosti florigenu ve vrcholu? Nebo se jí účastní i další regulační cesty? Co regulace buněčných cyklů v různých částech vrcholu? A co hormonální regulace meziorgánových růstových vztahů v celé rostlině? Dosavadní poznatky naznačují provázanost životních procesů v rostlině.