Cellecyklus langs majsens primære rod

Majsens primære rod blev opdelt i på hinanden følgende segmenter, der angav grænserne for rodkapsel, apikal meristemstrækningszone og differentieringszone, i henhold til tidligere resultater (Alarcón et al., 2016). Afstanden fra RCJ til rodspidsen blev anslået til at være 457 µm, som blev fjernet, før roden blev opdelt i flere zoner. Den rodapikale meristematiske zone (MZ) er placeret i den mest apikale 1,5 mm af roden fra RCJ og overgangszonen (TZ) fortsatte til 3 mm. Den hurtige forlængelseszone (EZ), hvor cellerne forlænges hurtigt, blev tildelt 3-6 mm; og i områder langt væk fra 6 mm observerede vi, at celleforlængelseshastigheden begynder at falde, hvilket indikerer den vækstafbrydende zone (Verbelen et al., 2006). Zoner, der ligger 12-20 mm og 20-30 mm fra RCJ, er differentieringszoner (DF), hvor siderødder begynder deres udvikling. Lignende dissektioner af rødder blev foretaget i Arabidopsis, hvor roden blev dissekeret i fem sektioner, som er kortere end dem i majsroden (Cools et al., 2010). For nylig er der rapporteret om en differentiel genekspression langs Arabidopsis-roden, og de undertrykte eller inducerede gener varierer mest i ændringen fra de meristematiske til overgangszonerne samt fra overgangszonen til elongationszonen (Chaiwanon og Wang, 2015).

Grænsen for rodmeristem bestemmes af udgangen af cellecyklus og balancen mellem celledeling og celleforlængelse (Perilli et al., 2012). Flowcytometriprofilen viser cellecyklusprogressionen langs den primære rod, og data, der viser antallet af relative celler på cellecyklusfaserne, indikerer celleaktiviteten i flere rodzoner. Når cellerne forlader cellecyklusen, kan de derfor stoppe cyklingen, når de forlader cellecyklusen. Desuden antages det generelt, at cellens udgang fra cellecyklusen finder sted efter mitose, og beslutningen om at gå ind i en ny cellecyklus træffes ved overgangspunktet G1-til-S som reaktion på vækstfaktorer og forskellige hormoner (Gutierrez et al., 2002; Inzé og De Veylder, 2006; Polyn et al, 2015).

I fig. 1 viser vi, at i rødder på 150-160 mm, der er dyrket ved 30 °C, er meristemet praktisk talt begrænset til MZ, zonen 0-1,5 mm fra RCJ, hvor procentdelen af celler i G0/G1-, S- og G2/M-fasen var henholdsvis ca. 27, 23 og 39 (tabel 1). Den relative varighed for G1, S, G2 og M i Allium meristem er blevet anslået til henholdsvis 26,5, 44,5, 16,5 og 12,5 % (Giménez-Martín et al., 1977), og disse procentsatser er meget ens i andre arter. Selv om vores resultater rapporterede, at majsmeristem har en lavere procentdel af celler i S-fase, var værdierne (23%) nok til at indikere cellecyklusprogression (Reichheld et al., 1999). Disse relative andele ændrede sig ekstraordinært, når TZ blev analyseret, i denne zone. Procentdelene var 9, 10 og 68 % for henholdsvis G0/G1-, S- og G2/M-fase. Dette resultat tyder på, at cellerne begyndte at forlade cellecyklus, da de nåede 1,5 mm fra RCJ. Desuden tyder procentsatserne i EZ på, at cellerne ved 3 mm er ude af cellecyklus ved 3 mm (fig. 1, tabel 1). Desuden blev faldet i procentdelen af celler i G0-G1- og S-faserne kompenseret med en stigning i G2-M (tabel 1, fig. 2). Disse resultater viser tydeligt, at cellerne stopper cellecyklusen, når de er i fase G2.

Det er blevet rapporteret, at de fleste celletyper forlader meristemet i G1-fasen, og senest er G1-til-S-overgangen kun udløst i perikonceller for at initiere lateral rod (Vanneste et al., 2007). I Arabidopsis pericykel er celler, der støder op til protoxilempolerne, blevet foreslået at fortsætte cellecyklusen uden afbrydelse, når de passerer gennem overgangs-, elongations- og differentieringszoner (Dubrovsky et al., 2008). Disse celler er de eneste, der deler sig for at initiere laterale rodprimordier. Resten af de celler, der udgør roden, deler sig imidlertid ikke. Derefter fortsætter epidermal- og cortexceller, der udgør størstedelen af rodvævet, ikke med at cykle, når de forlader rodmeristemet.

I vores analyse observerede vi en bemærkelsesværdig stigning af celler i fase G2 i TZ og EZ. Dette resultat tyder på, at celler, der forlader meristem i fase G2, ikke gennemgår mitose, men at de stopper ved denne G2-fase og forbliver i den. Vi spekulerer i, at celler, der forlader meristem i G1- eller S-fase, fortsætter cellecyklusen til G2, hvor de stopper. Dette er baseret på observationen af, at faldet i procentdelen af celler i G0/G1 mellem MZ og TZ (29,7 %) kompenseres med en stigning i G2 (28,8 %) (tabel 1, fig. 2) (tabel 1, fig. 2). Der er et svagt fald i G2-procenten mellem EZ og den basale ende af DZ (20-30 mm fra RCJ). Denne lille reduktion, sammen med faldet i hyperploide kerner, kompenseres af øgede hypoploide niveauer (Tabel 1).

På den anden side er det blevet rapporteret, at TZ i majsens apexrod ikke er involveret i mitotiske delinger, og i denne zone er postmitotiske kerner placeret i en central position i cellen (Baluška et al., 2001). Desuden er der ikke blevet observeret nogen mitotiske figurer langs rodzonen; initiering af lateralrodsprimordier blev observeret mellem 20-25 mm fra RCJ (Alarcón et al., 2016). I Arabidopsis er den gennemsnitlige afstand til den tidligste mitose i pericykel 3194 µm, og den første mitose er blevet observeret 2205 µm fra rodspidsen (Dubrovsky et al., 2001). I majsrod, kun 20-30 mm fra RCJ, viste nogle pericykel modsatte xylemceller kondensat cytoplasma, hvilket indikerer, at de igen går ind i cellecyklusen (Alarcón et al., 2016). Disse forskelle kan skyldes den større elongationsrodshastighed i majs, der vokser 80-90 mm/dag, mens Arabidopsis kun elongerer 10 mm/dag (Dubrovsky et al., 2001).

Det er blevet vist ved hjælp af en vævsspecifik kvantitativ mikroskopisk analyse, at nogle celler i cortex og epidermis var i den første endocyklus (DNA-indhold mellem 4C og 8C) ved deres start af elongation. Desuden gennemførte kerner af metaxylem-elementer i overgangszonen en eller to endocyklusser, der nåede 32C ved starten af den hurtige forlængelse (Baluška, 1987, 1990; Baluška og Kubica, 1984; Baluška et al., 1995). For nylig er endoreduplikation blevet beskrevet for at forekomme i planter, før cellerne påbegynder differentiering (De Veylder et al., 2007). Vi observerede imidlertid ikke et relevant antal kerner med et ploidy-niveau højere end 4n. Hvis endoreduplikation var en almindelig proces i majsens rodspids, ville vi desuden forvente, at hyperploidien ville stige, efterhånden som vi analyserede zoner længere væk fra RCJ. Imidlertid steg hyperploidien ikke kun ikke i zoner elongationszoner, men faldt (Tabel 1).

Det er blevet rapporteret, at pericykelceller forbliver i G1-fase, indtil de igen går ind i cellecyklusen (Vanneste et al., 2007). Pericykelceller udgør imidlertid kun en lille brøkdel af den samlede mængde celler, der danner rodspidserne; epidermal- og cortexceller er de hyppigst forekommende celletyper i rodspidserne. Hvis ca. 70 % af de samlede celler forlader meristem i G2-fasen, må de fleste epidermal- og cortexceller være i G2-fasen, når de forlader meristemet. Det antages, at epidermal- og cortexcelleudvidelse kontrollerer rodens længdevækst (Alarcón et al., 2014b). Derfor bør celler, der er involveret i den differentieringsproces, der resulterer i rodforlængelse, være i G2-fasen.