Charakterystyka mechanizmów różnicowania elementów przewodzących floemu u roślin - Michalak, Kornel (My University, 2024)
W toku ewolucji rośliny wykształciły tkanki przystosowane do efektywnego transportu substancji. Drewno (ksylem) przewodzi wodę i sole mineralne przez elementy trachealne, natomiast komórki przewodzące łyka (floemu) to elementy sitowe rozprowadzające produkty fotosyntezy. Różnicowanie tych komórek polega na ich dostosowaniu do niezakłóconego przepływu roztworów przez redukcję cytoplazmy i modyfikację ściany komórkowej. W rozwój komórek przewodzących ksylemu zaangażowane są mechanizmy programowanej śmierci komórki (PCD – ang. Programmed Cell Death), prowadzącej do powstania martwych elementów trachealnych o silnie zgrubiałych ścianach. Co ciekawe, analogicznie komórki ze zubożałym protoplastem wykształcane są także podczas floemogenezy. Na drodze różnicowania elementy sitowe pozbawiane są większości organelli, w tym jądra komórkowego, jednak pozostają żywe, zachowując część cytoplazmy skupionej blisko ściany komórkowej. Dotychczas niewiele było wiadomo na temat procesów odpowiedzialnych za częściową i wysoce selektywną redukcję protoplastu podczas floemogenezy. Głównym procesem odpowiedzialnym za usuwanie struktur cytoplazmatycznych jest autofagia, a jej występowanie podczas ksylogenezy potwierdziły liczne prace naukowe. Niewiele wiadomo jednak o roli autofagii selektywnej w rozwoju łyka. Celem pracy była weryfikacja hipotezy badawczej zakładającej, że w różnicowanie komórek przewodzących łyka zaangażowane są procesy degradacyjne, ale ich działanie jest selektywne i nie prowadzi do lizy całego protoplastu, tak jak w przypadku PCD podczas rozwoju komórek przewodzących drewna. Materiałem badawczym były korzenie roślin modelowych. W oparciu o analizy anatomiczne, cytologiczne i molekularne scharakteryzowano mechanizmy odpowiedzialne za redukcję cytoplazmy w elementach sitowych korzeni topoli kalifornijskiej (Populus trichocarpa Torr. et A. Gray ex Hook.). Zidentyfikowano także cytologiczne i molekularne markery autofagii występujące podczas floemogenezy. Ponadto, analizując korzenie innych gatunków oddalonych ewolucyjnie, od paproci do dwuliściennych, udowodniono, że autofagia to proces specyficzny dla różnicowania zarówno drewna i łyka roślin naczyniowych. Nie stwierdzono natomiast specyficznego wzorca ewolucji dla składu ściany komórkowej tkanek przewodzących. W porównaniu do konserwatywnego charakteru autofagii, formowanie ściany komórkowej tkanek przewodzących jest bardzo zmienne. Dla każdego z badanych gatunków udokumentowano różny skład ściany komórkowej dla ksylemu bądź floemu. W pracy zaproponowano także wzory mechanizmów degradacyjnych u roślin w warunkach ich prawidłowego rozwoju oraz w reakcji na stres abiotyczny i biotyczny. Różnicowanie ksylemu i floemu zachodzące w wyniku śmierci komórki lub tylko częściowego zaniku organelli stanowi bardzo dobry model badawczy dla mechanizmów odpowiedzialnych za intensywne zmiany w składzie cytoplazmy i ściany komórkowej. Uzyskane wyniki znacząco poszerzyły dotychczasową wiedzę na temat różnych ścieżek selektywnej degradacji cytoplazmy oraz metod ich badania. In the course of evolution, plants have developed tissues adapted to the efficient transport of substances. Xylem conducts water and mineral salts through tracheal elements, while phloem conducting cells known as sieve elements, distributing products of photosynthesis. The differentiation of these cells involves the adaptation to ensure the uninterrupted flow of solutions by reducing the cytoplasm and modifying the cell wall. Programmed Cell Death (PCD) mechanisms are involved in the development of xylem conducting cells. In the case of xylogenesis, tracheary elements become dead, therefore empty, and their walls become extensively thickened. Interestingly, analogically cells with reduced protoplast are formed during phloemogenesis as well. In the course of differentiation, sieve elements are deprived of most organelles, including the nucleus, but they remain alive, retaining part of the cytoplasm concentrated close to the cell wall. So far, little has been known about the processes responsible for the partial and highly selective reduction of the protoplast during phloemogenesis. The main process responsible for the removal of cytoplasmic structures is autophagy, and its occurrence during xylogenesis has already been confirmed. However, little is known about the role of selective autophagy in the development of phloem. The aim of the work was to verify the research hypothesis, assuming that degradative processes are involved in the differentiation of phloem conductive cells, but their operation is selective and does not lead to the lysis of the entire protoplast, as is the case of PCD during the development of xylem conducting cells. The research material consisted of the roots of model plants. Using the black cottonwood (Populus trichocarpa Torr. et A. Gray ex Hook.) as well as anatomical, cytological and molecular analyses, the mechanisms responsible for the reduction of cytoplasm in sieveelements were characterized. Cytological and molecular markers of autophagy occurring during phloemogenesis were also identified. Moreover, by analyzing the roots of other evolutionarily distant species, ranging from ferns to dicotyledons, it was proven that autophagy is a process specific to the differentiation of both the xylem and phloem in vascular plants. However, no specific evolutionary pattern was found for the composition of the cell walls of conducting tissues. Compared to the conserved nature of autophagy, cell wall formation is very variable. For each examined species, different cell wall composition for xylem or phloem were documented. The thesis also proposes patterns of degradation mechanisms in plants under conditions of their normal development and in response to abiotic and biotic stresses. The differentiation of xylem and phloem, undergoing in the result of cell death or just partial reduction of organelles, is a very good research model for the mechanisms responsible for intensive changes in the composition of the cytoplasm and cell wall. The obtained results significantly extended the current knowledge on different pathways of cytoplasmic selective degradation and methods of their study.
Characterization of the mechanisms of conductive phloem element differentiation in plants
Wydział Biologii
Keywords: autofagia selektywna; floem; elementy sitowe; PCD; ksylem; elementy trachealne; selective autophagy; phloem; sieve elements; xylem; tracheary elements