Nahoře, dole: polarita v rostlinné biologii

Každé malé dítě ví, že rostliny mají stonek či kmen s větvemi, listy a květy, které rostou vzhůru, a pod zemí kořeny rostoucí naopak směrem dolů. Ačkoli se toto – pro rostlinu životně důležité – uspořádání může zdát banální, jeho molekulární podstata na úrovni jednotlivých buněk je poměrně složitá a do značné míry stále neprobádaná. Co tedy o orientaci celých rostlin, jejich částí a jednotlivých buněk v prostoru, jinými slovy o jejich polaritě, vlastně víme?

Pojmem „polarita“ v nejširším slova smyslu se v biologii rozumí nerovnoměrné a uspořádané rozdělení jednotlivých částí celku v prostoru. U rostlin se polarita v tomto významu vyskytuje na všech úrovních organizace a má pro život rostliny zcela zásadní význam. Hlavní funkcí kořenového systému rostlin je jejich mechanické ukotvení a získávání vody a živin z půdy, nadzemní orgány¹⁾ a zejména listy mají za úkol především zachycovat sluneční záření a atmosférický oxid uhličitý a procesem fotosyntézy je přeměňovat na rostlinnou biomasu. Životní důležitost vertikální polarity celého rostlinného těla tak vychází přímo z této definice, neboť je zřejmé, že ani kořeny rostoucí do vzduchu, ani listy pod zemí by svoji funkci příliš dobře vykonávat nemohly.

Na úrovni jednotlivých rostlinných orgánů a pletiv nacházíme například radiální polaritu u kmenů dřevin, v nichž jsou živá vodivá pletiva, zajišťující transport vody, minerálů a organických látek, zpravidla uspořádána v kruhu. V jeho středu se nachází mnoho vrstev již odumřelého dřeva, dodávajícího kmeni potřebnou pevnost, zvnějšku je obklopen lýkem a dále na povrchu kmene ochrannou borkou (lidově kůrou), rovněž tvořenou odumřelými buňkami. Dalším příkladem polarity na úrovni orgánů a pletiv mohou být květy orchidejí a dalších rostlin, jejichž komplikovaná a různě symetrická morfologie hraje významnou roli při lákání hmyzích opylovačů.

I jednotlivé buňky jsou často výrazně polarizované. Extrémními případy buněčné polarity jsou například pylové láčky či kořenové vlásky, které se prodlužují v jednom směru do desetinásobků své původní délky, aby dostály své funkci oplození, resp. zvýšení absorpčního povrchu kořene.

Pokud půjdeme ještě dále a podíváme se na to, jak jsou v buňkách uspořádány jejich stavební prvky (organely, proteiny a další molekuly), zjistíme, že velmi silně polarizované jsou prakticky všechny buňky v celé rostlině. Polarita jednotlivých buněk je nezbytná pro polaritu celé rostliny a naopak, každá buňka vztahuje svoji polaritu k ose rostlinného těla a je ji za určitých „celorostlinných“ okolností schopna změnit. Jak tedy tato obousměrná koordinace polarity mezi celou rostlinou a jejími pletivy a jednotlivými buňkami funguje?

Špička hlavního kořene modelové rostliny Arabidopsis, ve které je asymetrická distribuce auxinu vizualizována pomocí tzv. auxinového reportéru DR5. Čím více auxinu se nachází v buňkách této transgenní rostlinné linie, tím více produkují fluorescenčního proteinu a akumulují jej ve svých jádrech. Platí tedy, že čím více žlutého signálu, tím vyšší koncentrace auxinu v dané buňce. Měřítko představuje 50 μm.Snímek Matouš Glanc

Vzrostlý dub se svou mohutnou korunou a komplexním kořenovým systémem skrytým běžnému pohledu pod zemí je příkladnou ukázkou polarity rostlinného těla.Snímek volné dílo, CC0

Auxin – integrátor rostlinné polarity

Jedním z aspektů rostlinné polarity, tropismem neboli uzpůsobením směru růstu podle okolních faktorů jako je světlo nebo gravitace, se zabýval v druhé polovině 19. století již Charles Darwin. Předpověděl existenci látky, která by ovlivňovala prodlužování rostlinných buněk a jejíž asymetrická distribuce by v závislosti na vnějším stimulu zajistila nerovnoměrný růst, a tedy odpovídající ohyb rostlinného orgánu. Nizozemský badatel Frits Went na přelomu dvacátých a třicátých let 20. století prokázal, že touto látkou je kyselina indol-3-octová, která byla nazvána auxin.²⁾

V následujících desetiletích vyšlo najevo, že auxin navzdory původním předpokladům neovlivňuje zdaleka jen prodlužování buněk, ale prakticky všechny vývojové procesy v rostlině: od formování embrya po opylení vaječné buňky, od architektury kořenového systému po regeneraci narušených pletiv. Společným mechanismem všech těchto procesů je polární transport auxinu mezi buňkami, zpravidla směřující od vrcholu nadzemní části ke kořenům, díky kterému vznikají lokální gradienty v koncentraci auxinu, jež rostlinné buňky interpretují v závislosti na dalších okolnostech nejrůznějšími způsoby.

Poměrně brzy tak bylo zřejmé, že celá rostlina dokáže pomocí směru toku auxinu předat informaci o své polaritě jednotlivým buňkám, které na tuto informaci reagují koordinovanou reorientací důležitou pro mnoho vývojových procesů. Izraelský biolog Tsvi Sachs však v druhé polovině 20. století ukázal elegantními experimenty, při nichž rouboval rostliny jednu k druhé v různých vzájemných orientacích, že je to zároveň i naopak: inherentní polarita jednotlivých buněk určuje směr toku auxinu, a zpětně tak ovlivňuje polaritu celé rostliny.

Další část hádanky jménem rostlinná polarita se odkryla před dvaceti lety, kdy byly v modelové rostlině huseníčku (Arabidopsis thaliana) objeveny geny kódující proteiny PIN.³⁾ PIN proteiny se zpravidla nacházejí pouze na jedné straně každé buňky a jsou tak příkladným projevem buněčné polarity. Jejich funkcí je pumpovat auxin z buňky ven, odkud díky svým chemickým vlastnostem sám nateče do buňky sousední. Tímto způsobem polární lokalizace PIN proteinů určuje směr toku auxinu rostlinou, a tedy polarita buněk díky umístění PIN proteinů může dávat informaci k polarizaci pletiv a potažmo celé rostliny.

Dnes už také víme, že auxin je navíc schopen zpětně regulovat polární lokalizaci PIN proteinů – svých vlastních přenašečů. Jak přesně tato regulace funguje, však zatím jasné není. Ale především ani po dvaceti letech intenzivního výzkumu neznáme mechanismus ustavení asymetrické distribuce PIN proteinů, který je téměř jistě klíčem k pochopení polarity rostlinných buněk jako takové.

Jak a kdy polarita vzniká?

Životní cyklus semenných rostlin začíná vznikem zygoty – první buňky nového organismu, která vzniká splynutím rodičovských gamet. Během embryogeneze dochází k sérii velmi přesně orientovaných buněčných dělení, díky nimž ze zygoty vznikne rostlinné embryo, ze kterého po uvolnění a vyklíčení semene vyroste nový jedinec. Vzhledem k tomu, že rostlinné buňky se na rozdíl od živočišných nemohou vůči sobě navzájem pohybovat a takto přeskupovat a organizovat, je orientace buněčného dělení zcela zásadní pro stavbu a tvar rostlinného těla a jako taková je jedním z nejvýznamnějších projevů buněčné polarity. Obzvláště to platí u prvního, výrazně asymetrického dělení zygoty.

Jestliže celá rostlina vzniká z jediné buňky a buněčná polarita skrz směrování toku auxinu určuje polaritu na úrovni celé rostliny, dávalo by smysl, kdyby právě polarita zygoty určovala polaritu celé budoucí rostliny. Tato polarita by byla během jejího života udržována, prostřednictvím toku auxinu koordinována napříč organizačními úrovněmi a pouze v případě potřeby modifikována.

Buňky epidermis, tj. svrchní vrstvy buněk kořene Arabidopsis, ve kterých je lokalizace auxinového transportéru PIN2 vizualizována pomocí imunofluorescence, tedy techniky, ve které je fluorescenční značka připojena k molekulám daného proteinu pomocí specifické protilátky. Výrazně polární, v tomto případě apikální distribuce proteinů PIN je klíčovým mechanismem propojujícím polaritu jednotlivých buněk s polaritou rostlinných pletiv, orgánů a potažmo celé rostliny. Měřítko představuje 20 μm.Snímek Matouš Glanc

Mnoho dílčích poznatků nasvědčuje, že tomu tak skutečně je. Například při dělení buněk v kořeni Arabidopsis získávají dceřiné buňky informaci o správné polaritě od mateřské buňky, nikoliv například od buněk sousedních, takže mechanismus, kterým by informace o polaritě zygoty byla při každém buněčném dělení předána dál, a nesly by ji tak všechny buňky celé rostliny, musí existovat. Reakce rostliny i na poměrně velká poranění, kdy v naprosté většině případů nová pletiva a orgány vznikají na správném místě a ve správné orientaci, taktéž mluví pro to, že polaritu orgánů a celé rostliny určuje polarita buněk děděná napříč mnoha cykly dělení až od zygoty.

Co ale určuje polaritu zygoty ještě před jejím prvním rozdělením? V jedné z našich nejnovějších studií jsme ukázali, že velké množství auxinu, které je potřebné pro správnou orientaci prvních několika dělení zygoty a raného embrya, teče do zygoty z okolních pletiv mateřské rostliny. Právě tento tok „mateřského auxinu“ by mohl být klíčovým faktorem pro polarizaci zygoty. Pokud tomu tak je, znamenalo by to, že informace o polaritě je u rostlin předávána dokonce napříč generacemi.

Avšak jak jsme již naznačili, tato základní polarita sjednocená ve všech buňkách jednoho rostlinného organismu, a možná dokonce i v jeho rodičích a potomcích, se může za určitých okolností změnit. Jedním z takových případů, který nastává v rámci normálního vývoje mnohokrát za život každé rostliny, je zakládání postranních kořenů. Každý postranní kořen vzniká ze dvou zakládajících buněk uvnitř kořene hlavního a jeho osa je na osu hlavního kořene vždy kolmá. V určitý moment tedy zákonitě musí dojít ke změně polarity zakládajících buněk, které vymění polaritu v ose hlavního kořene za polaritu v kolmé ose kořene postranního, jemuž dávají vzniknout.

Výše jsme pro celoživotní dědičnost polarity argumentovali tím, že při hojení i poměrně rozsáhlých poranění rostliny vznikají nová pletiva a orgány ve správné orientaci. V první fázi hojení, ještě než k tomuto projevu původní polarity dojde, se na povrchu rány zpravidla tvoří tzv. kalus – pletivo rychle se dělících, zcela nediferencovaných a nepolárních buněk, které jsou schopny rychle zakrýt ránu, a omezit tak riziko infekce. Buňky kalusu izolovaného z poraněné rostliny nebo uměle indukovaného v laboratoři jsou schopny za určitých podmínek dát vzniknout celé nové rostlině. Vzhledem k tomu, že u izolovaného kalusu nemůže být o jakékoli předem existující polaritě řeč, musí během procesu regenerace rostliny z kalusu nutně dojít k de novo polarizaci buněk a celého vznikajícího organismu.

Je tedy zřejmé, že ačkoli výchozím vývojovým programem u rostlin je udržování a předávání polarity v prostoru i čase po celý životní cyklus, není tento program zdaleka jediným možným. Za určitých okolností jsou rostlinné buňky schopny nejen tuto svoji základní polaritu změnit, ale dokonce ji opět vytvořit zdánlivě z ničeho, i když jakoukoli informaci o té původní ztratily.

Stejně jako zatím nevíme, jak přesně dochází k vzniku polarity v zygotě, neznáme ani konkrétní molekulární mechanismus zodpovědný za výše uvedené změny této polarity. Pozornému čtenáři již ale pravděpodobně není třeba zdůrazňovat, že nejen vznik polarity v rostlinném zárodku a její udržování napříč životním cyklem, ale i její změny či de novo ustavení má (alespoň ve většině případů) pravděpodobně na svědomí směrovaný tok auxinu.

Květ orchideje s komplexní strukturou přizpůsobený k přilákání opylovačů. Příklad polarity na úrovni orgánu a jednotlivých buněk – trichomy (chlupy) na povrchu.Snímek Inge Verstraeten

Co dál?

Jak je snad z předcházejících odstavců patrné, o rostlinné polaritě jako takové, o její koordinaci mezi celým organismem a jeho součástmi i o jejím významu pro zdravý vývoj a úspěšný život rostlin toho už víme poměrně dost. Avšak přesná molekulární podstata vzniku, udržování a změn polarity na úrovni jednotlivých buněk nám i přes desetiletí intenzivního výzkumu stále uniká. Jak tedy dál, abychom polaritu rostlin skutečně plně pochopili?

Nejprozaičtější možností je pokračovat ve stávajícím úsilí přijít polaritě na kloub pomocí studia modelové rostliny huseníčku (Arabidopsis thaliana). Vzhledem k neustálému vývoji nových a zlepšování stávajících genetických, biochemických a mikroskopických metod má tato strategie možná stále ještě největší šanci na úspěch.

Dalším velice slibným směrem výzkumu se jeví studium evoluce rostlin od primitivních zelených řas přes mechorosty a další evolučně relativně staré skupiny až po dnešní „moderní“ krytosemenné rostliny. V tomto přístupu bude klíčové zjistit, u které skupiny rostlin se jednotlivé aspekty rostlinné polarity, jak ji známe dnes, během evoluce objevily poprvé. Tuto skupinu můžeme poté na molekulární úrovni srovnat s jejími předchůdci i následovníky a identifikovat jednotlivé geny či celé signální kaskády, jejichž vznik koreluje se vznikem polarity, a které tak budou dobrými kandidáty na klíčové regulátory vzniku, udržení a změn polarity u rostlin.