Modelowanie jako metoda badań wzrostu

Transkrypt

1 Modelowanie jako metoda badań wzrostu dr hab. Jerzy Nakielski Katedra Biofizyki i Morfogenezy Roślin Uniwersytet Śląski, Katowice

2 merystem wierzchołkowy pędu wierzchołek pędu merystem boczny merystem wierzchołkowy korzenia U roślin wzrost zapoczątkowany jest w merystemach wierzchołek korzenia

3 wierzchołek pędu siewki świerka (fot. I. Potockiej) wierzchołek korzenia rzodkiewnika

4 blaszka blaszka środkowa plasmodesmy W odróżnieniu od komórek zwierzęcych komórka roślinna ma ścianę komórkową. Ściany komórek sąsiednich połączone są blaszkami środkowymi, a w poprzek ścian komórkowych przechodzą plazmodesmy. To sprawia, że komórki roślinne rosną i przemieszczają się w sposób skoordynowany

5 Skoordynowany wzrost komórek organu nazywamy symplastycznym. W trakcie takiego wzrostu utrzymywane są kontakty pomiędzy sąsiednimi komórkami. W symplastyczności zawiera się także współzależność wzrostu organu jako całości i komórek wchodzących w skład organu We wzroście symplastycznym prędkość przesunięć elementów organu (V) zmienia się w sposób ciągły co oznacza, że pole V na poziomie organu jest ciągłe.

6 wierzchołek korzenia rzodkiewki (fot. I. Potockiej) antykliny periykliny wierzchołek pędu siewki świerka Ciągłość pola V przejawia się w układzie komórek. Chodzi o to, że układ komórek w merystemie wierzchołkowym (w przekroju osiowym) daje się opisać dwoma rodzinami wzajemnie ortogonalnych linii nazywanych peryklinami i antyklinami, a wzajemna ortogonalność tych linii, pomimo nieustannego wypływu tkanki z dystalnych rejonów merystemu, jest utrzymywana w trakcie wzrostu

7 Relacja pomiędzy przesunięciami elementów organu, prędkościami przesunięć a szybkościami wzrostu 1 różniczkowanie przesunięcia punktów pole prędkości szybkości wzrostu całkowanie 2 Obszary modelowania: 1 2 Badania rozmieszczenia i zmienności szybkości wzrostu Symulacje wzrostu wirtualnego organu z uwzględnieniem podziałów komórek

8 Miarą wzrostu w punkcie w określonym kierunku jest względna szybkości wzrostu liniowego RERG l (przyrost długości elementu liniowego na jednostkę długości na jednostkę ) RERG dv ds V s s prędkość przesunięć l ( s ) RERG l(s) względna szybkość wzrostu liniowego w kierunku s Inne miary wzrostu w punkcie: RERG a - względna szybkość wzrostu powierzchniowego (przyrost pola elementu powierzchniowego na jednostkę powierzchni, na jednostkę czasu) RERG vol - względna szybkość wzrostu objętościowego (przyrost długości elementu objętościowego na jednostkę objętości, na jednostkę czasu) Jednostka we wszystkich przypadkach- czas -1, np. doba -1

9 Szybkość wzrostu liniowego w punkcie może przyjmować różne wartości w różnych kierunkach. Zmienność tą ilustruje 3-wymiarowa powierzchnia wokół punktu nazywana indykatrysą RERG l. Kształt indykatrysy wskazuje na to jaki jest wzrost w danym punkcie A- wzrost izotropowy, tj. jednakowy we wszystkich kierunkach B- izotropia w płaszczyźnie (xz), brak wzrostu w kierunku osi y C- elongacja w kierunku osi z, brak wzrostu w płaszczyźnie (xy) D- elongacja w kierunku osi z, brak wzrostu w kierunku osi y, a ujemny wzrost (ściskanie zaznaczone kolorem zielonym) w kierunku osi x

10 Metody uzyskiwania danych potrzebnych do określenia wzrostu Wierzchołek pędu - ocena zróżnicowania i wielkości kompleksów komórek na powierzchni wierzchołka Nakielski (1987) Acta Soc. Bot Pol Wzrost na powierzchni wierzchołka pędu świerka jest izotropowy odległość od szczytu

11 pole prędkości Modelowanie wzrostu powierzchniowego wierzchołka pędu świerka mapa RERG l siatka wielokątów reprezentująca układ komórek

12 Wierzchołek pędu jęczmienia w części szczytowej izotropowo, a poza nią- anizotropowo Hejnowicz et al. (1989) Acta Soc. Bot Pol

13 Modelowanie profilu prędkości i szybkości wzrostu meridionalnego w wierzchołku pędu jęczmienia

14 Korzeń - technika fotografii smugowej

15 Ralph Erickson

16 Korzeń Arabidopsis przyżyciowa kinematyczna metoda określania profilu prędkości i szybkości wzrostu Van der Weele et al. (2003) Plant Physiol

17 Wuyts et al. (2011) Planta

18 Określanie szybkości wzrostu dla organów płaskich ( w 2D) przykład liścia Xantium Erickson J Exp Bot (1966)

19 Erickson J Exp Bot (1966) Mapy szybkości wzrostu (RERG a i RERG l )

20 Sekwencja rozwoju siatki sektorów otrzymana dla liścia Arabidopsis z zastosowaniem metody markerów 100 μm Pietrakowski J (2012) praca doktorska

21 składowa V x składowa V z V x V z m Prędkość przesunięć Pietrakowski J (2012) praca doktorska

22 Czasowa zmienność szybkości wzrostu powierzchniowego w blaszce liściowej A. t 0 doba -1 t 24 t 48 Szybkość wzrostu powierzchniowego zmniejsza się z czasem i odległością od ogonka. W części proksymalnej występują dwa maksima szybkości wzrostu t 0+24h t 72 Pietrakowski J (2012) praca doktorska

23 Inne wyniki dotyczące zmienności szybkości wzrostu w liściu A. Kuchen et al. (2012) Science Wiese i et al. (2007), New Phytol

24 Przyżyciowe znakowanie klonów komórek Kurup et al. (2005) Plant J Korzeń Arabidopsis

25 Kurup et al. (2005) Plant J

26 Płatki kwiatowe Antirrhinum majus (Wyżlin większy) płatek grzbietowy płatek brzuszny płatek boczny - temowrażliwe mutanty A. linii pal rec -2 - insercja transpozonu w rejon promotorowy genu czerwonej pigmentacji (powoduje utratę zabarwienia płatków na czerwono) -ze względu na niestabilność mutacji lokalnie powstają zabarwione sektory komórek

27 P44 Zmienność szybkości wzrostu w rozwoju łatki płatka grzbietowego Antirrhinum (w przedziale czasu od 32 do 44 plastochronu) P38 P32

28 Klony komórek w płatku brzusznym (N-ilość komórek) N=46 N=97

29 Metoda replik w zastosowaniu do merystemu wierzchołkowego pędu wegetatywnego Anagallis arvensis. Zdjęcia z mikroskopu skaningowego rekonstrukcja w 3D Dumais and Kwiatkowska (2002), Plant J

30 Ilościowe dane o wzroście otrzymane w oparciu o analizę replik Jacques and Kwiatkowska (2002), Plant J

31 Wielokątowe obrazowanie w czasie rzeczywistym z zastosowaniem mikroskopu konfokalnego- Ścieżka segmentacyjnej rekonstrukcji w 3D (markery GFP specyficzne dla kwiatu Arabidopsis) kwiat wielokątowa rejestracja zbieranie rekonstrukcja automatyczna segmentacja

32 Wielokątowa rejestracja i rekonstrukcja zarejestrowanego obrazu Automatyczna segmentacja wierzchołka korzenia ryżu

33 etap 1 etap 2 etap 3 A Łączenie danych pochodzących z obserwacji dwóch kwiatów B Automatyczne określanie wielkości klonów komórek

34 Przemysław Prusinkiewicz Auksyna w regulacji procesów rozwojowych w wierzchołkach korzenia i pędu. Pokazano szlaki transportu (niebieskie strzałki) i miejsca akumulacji (niebieskie kółka) tego hormonu Prusinkiewicz i Runions (2012) New Phytol. 193

35 Schemat wieloaspektowego modelowania w oparciu o szeroki zakres danych empirycznych