Zellzyklus entlang der Maisprimärwurzel

Die Maisprimärwurzel wurde in aufeinanderfolgende Segmente unterteilt, die die Grenzen der Wurzelkappe, der apikalen Meristemstreckungszone und der Differenzierungszone anzeigten, entsprechend früheren Ergebnissen (Alarcón et al., 2016). Die Entfernung vom RCJ zur Wurzelspitze wurde auf 457 µm geschätzt, die vor der Unterteilung der Wurzel in mehrere Zonen entfernt wurde. Die wurzelapikale meristematische Zone (MZ) befindet sich in den apikalsten 1,5 mm der Wurzel vom RCJ und die Übergangszone (TZ) setzte sich bis 3 mm fort. Die Zone der schnellen Dehnung (EZ), in der sich die Zellen schnell ausdehnen, wurde 3-6 mm zugeordnet; in Regionen, die weit von 6 mm entfernt sind, wurde beobachtet, dass die Dehnungsrate der Zellen abzunehmen beginnt, was auf die Zone der Wachstumsbeendigung hinweist (Verbelen et al., 2006). Zonen, die 12-20 mm und 20-30 mm vom RCJ entfernt liegen, sind Differenzierungszonen (DF), in denen die Seitenwurzeln ihre Entwicklung beginnen. Ähnliche Zerlegungen von Wurzeln wurden bei Arabidopsis vorgenommen, wo die Wurzel in fünf Abschnitte zerlegt wurde, die kürzer sind als die der Maiswurzel (Cools et al., 2010). Kürzlich wurde über eine unterschiedliche Genexpression entlang der Arabidopsis-Wurzel berichtet, und die unterdrückten oder induzierten Gene variieren hauptsächlich beim Übergang von der meristematischen zur Übergangszone sowie von der Übergangs- zur Dehnungszone (Chaiwanon und Wang, 2015).

Die Grenze des Wurzelmeristems wird durch den Ausgang des Zellzyklus und das Gleichgewicht zwischen Zellteilung und Zelldehnung bestimmt (Perilli et al., 2012). Das durchflusszytometrische Profil zeigt den Verlauf des Zellzyklus entlang der Primärwurzel, und Daten, die die Anzahl der relativen Zellen in den Zellzyklusphasen zeigen, weisen auf die Zellaktivität in verschiedenen Wurzelzonen hin. Wenn Zellen den Zellzyklus verlassen, könnten sie also aufhören zu zirkulieren. Darüber hinaus wird allgemein davon ausgegangen, dass der Austritt einer Zelle aus dem Zellzyklus nach der Mitose erfolgt und die Entscheidung, in einen neuen Zellzyklus einzutreten, am Übergangspunkt von G1 zu S als Reaktion auf Wachstumsfaktoren und verschiedene Hormone getroffen wird (Gutierrez et al., 2002; Inzé und De Veylder, 2006; Polyn et al, 2015).

In Abb. 1 zeigen wir, dass in Wurzeln von 150-160 mm, die bei 30°C gewachsen sind, das Meristem praktisch auf MZ beschränkt ist, die Zone 0-1,5 mm vom RCJ, wo die Prozentsätze der Zellen in den G0/G1-, S- und G2/M-Phasen ungefähr 27, 23 bzw. 39 waren (Tabelle 1). Die relative Dauer von G1, S, G2 und M im Allium-Meristem wurde auf 26,5, 44,5, 16,5 bzw. 12,5 % geschätzt (Giménez-Martín et al., 1977), und diese Prozentsätze sind bei anderen Arten sehr ähnlich. Obwohl unsere Ergebnisse zeigen, dass der Meristem von Mais einen geringeren Prozentsatz an Zellen in der S-Phase aufweist, waren die Werte (23 %) ausreichend, um auf eine Progression des Zellzyklus hinzuweisen (Reichheld et al., 1999). Diese relativen Anteile änderten sich außerordentlich, als die TZ in dieser Zone analysiert wurde. Die Prozentsätze betrugen 9, 10 bzw. 68 % für die Phasen G0/G1, S und G2/M. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass die Zellen den Zellzyklus zu verlassen begannen, als sie 1,5 mm vom RCJ entfernt waren. Darüber hinaus deuteten die Prozentzahlen in EZ darauf hin, dass sich die Zellen bei 3 mm außerhalb des Zellzyklus befinden (Abb. 1, Tabelle 1). Außerdem wurde der Rückgang des Prozentsatzes der Zellen in der G0-G1- und S-Phase durch einen Anstieg in der G2-M-Phase kompensiert (Tabelle 1, Abb. 2). Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass die Zellen den Zellzyklus beenden, wenn sie sich in der Phase G2 befinden.

Es wurde berichtet, dass die meisten Zelltypen das Meristem in der G1-Phase verlassen, und in letzter Zeit wird der Übergang von G1 zu S nur in Perizykelzellen ausgelöst, um die Seitenwurzel einzuleiten (Vanneste et al., 2007). Im Perizykel von Arabidopsis wurde vorgeschlagen, dass die an die Pole des Protoxilems angrenzenden Zellen den Zellzyklus ohne Unterbrechung fortsetzen, wenn sie die Übergangs-, Dehnungs- und Differenzierungszonen passieren (Dubrovsky et al., 2008). Diese Zellen sind die einzigen, die sich teilen, um Seitenwurzelprimordien zu bilden. Der Rest der Zellen, aus denen die Wurzel besteht, teilt sich jedoch nicht. Die Epidermis- und Rindenzellen, die den Großteil des Wurzelgewebes ausmachen, setzen ihren Zyklus nicht fort, wenn sie das Wurzelmeristem verlassen.

In unserer Analyse haben wir eine bemerkenswerte Zunahme der Zellen in der Phase G2 in TZ und EZ beobachtet. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass Zellen, die das Meristem in der G2-Phase verlassen, keine Mitose durchlaufen, sondern in dieser G2-Phase anhalten und in ihr verbleiben. Wir vermuten, dass Zellen, die das Meristem in der G1- oder S-Phase verlassen, den Zellzyklus bis zur G2-Phase fortsetzen, wo sie anhalten. Dies beruht auf der Beobachtung, dass der Rückgang des Prozentsatzes der Zellen in G0/G1 zwischen MZ und TZ (29,7 %) durch einen Anstieg des Prozentsatzes in G2 (28,8 %) kompensiert wird (Tabelle 1, Abb. 2). Ein schwacher Rückgang des G2-Prozentsatzes wird zwischen der EZ und dem basalen Ende der DZ (20-30 mm vom RCJ) erreicht. Diese geringe Abnahme wird zusammen mit der Abnahme der hyperploiden Kerne durch eine Zunahme der hypoploiden Kerne kompensiert (Tabelle 1).

Andererseits wurde berichtet, dass die TZ in der Maisspitzenwurzel nicht an mitotischen Teilungen beteiligt sind, und in dieser Zone befinden sich postmitotische Kerne in einer zentralen Position innerhalb der Zelle (Baluška et al., 2001). Darüber hinaus wurden keine mitotischen Figuren entlang der Wurzelzone beobachtet; die Initiierung von Seitenwurzelprimordien wurde zwischen 20-25 mm vom RCJ beobachtet (Alarcón et al., 2016). Bei Arabidopsis beträgt der durchschnittliche Abstand zur frühesten Mitose im Perizykel 3194 µm und die erste Mitose wurde bei 2205 µm von der Wurzelspitze beobachtet (Dubrovsky et al., 2001). In der Maiswurzel zeigten einige Perizykelzellen, die dem Xylem gegenüberliegen, erst 20-30 mm vom RCJ entfernt kondensiertes Zytoplasma, was darauf hindeutet, dass sie wieder in den Zellzyklus eintreten (Alarcón et al., 2016). Diese Unterschiede könnten durch die höhere Wurzeldehnungsrate bei Mais verursacht werden, der 80-90 mm/Tag wächst, während Arabidopsis nur 10 mm/Tag dehnt (Dubrovsky et al., 2001).

Es wurde mit Hilfe einer gewebespezifischen quantitativen mikroskopischen Analyse gezeigt, dass sich einige Zellen der Rinde und der Epidermis zu Beginn ihrer Dehnung im ersten Endozyklus befanden (DNA-Gehalt zwischen 4C und 8C). Darüber hinaus haben Kerne von Metaxylem-Elementen in der Übergangszone einen oder zwei Endozyklen vollzogen, die zu Beginn ihrer schnellen Streckung 32C erreichten (Baluška, 1987, 1990; Baluška und Kubica, 1984; Baluška et al., 1995). Kürzlich wurde beschrieben, dass die Endoreduplikation in Pflanzen stattfindet, bevor die Zellen mit der Differenzierung beginnen (De Veylder et al., 2007). Wir haben jedoch keine relevante Anzahl von Kernen mit einer Ploidie von mehr als 4n beobachtet. Wenn die Endoreduplikation ein üblicher Prozess in der Maiswurzelspitze wäre, würden wir außerdem erwarten, dass die Hyperploidie zunimmt, wenn wir Zonen analysieren, die weiter vom RCJ entfernt sind. Die Hyperploidie nahm jedoch in den Verlängerungszonen nicht zu, sondern ab (Tabelle 1).

Es wurde berichtet, dass Perizykelzellen in der G1-Phase verbleiben, bis sie wieder in den Zellzyklus eintreten (Vanneste et al., 2007). Perizykelzellen machen jedoch nur einen kleinen Teil der Gesamtzahl der Zellen aus, die die Wurzelspitzen bilden; Epidermis- und Kortexzellen sind die häufigsten Zelltypen in der Wurzelspitze. Wenn also etwa 70 % der Gesamtzellen das Meristem in der G2-Phase verlassen, müssen sich die meisten Epidermis- und Kortexzellen in G2 befinden, wenn sie das Meristem verlassen. Es wird angenommen, dass die Dehnung der Epidermis- und Rindenzellen das Längenwachstum der Wurzel kontrolliert (Alarcón et al., 2014b). Daher sollten sich Zellen, die an dem Differenzierungsprozess beteiligt sind, der zur Wurzelverlängerung führt, in der G2-Phase befinden.