Cellciklus a kukorica elsődleges gyökere mentén

A kukorica elsődleges gyökerét egymást követő szegmensekre osztottuk, amelyek a korábbi eredményeknek megfelelően a gyökérsapka, az apikális merisztéma megnyúlási zóna és a differenciálódási zóna határait jelezték (Alarcón et al., 2016). Az RCJ és a gyökércsúcs közötti távolságot 457 µm-re becsültük, amelyet a gyökér több zónára való felosztása előtt eltávolítottunk. A gyökér apikális merisztematikus zónája (MZ) az RCJ-től számított legapikálisabb 1,5 mm-re található, az átmeneti zóna (TZ) pedig 3 mm-re folytatódott. A gyors megnyúlási zónát (EZ), ahol a sejtek gyorsan megnyúltak, 3-6 mm-ig rendeltük; a 6 mm-től távolabb eső régiókban pedig megfigyeltük, hogy a sejtnyúlás sebessége csökkenni kezd, ami a növekedést befejező zónát jelzi (Verbelen et al., 2006). Az RCJ-től 12-20 mm-re és 20-30 mm-re elhelyezkedő zónák a differenciálódási zónák (DF), ahol az oldalgyökerek megkezdik fejlődésüket. Hasonló gyökérmetszeteket végeztek Arabidopsisban is, ahol a gyökeret öt szakaszra metszették, amelyek rövidebbek, mint a kukorica gyökerénél (Cools és mtsai., 2010). Nemrégiben az Arabidopsis gyökér mentén differenciált génexpresszióról számoltak be, és a represszált vagy indukált gének leginkább a merisztémás zónából az átmeneti zónába, valamint az átmeneti zónából a megnyúlási zónába történő átmenet során változnak (Chaiwanon és Wang, 2015).

A gyökérmerisztéma határát a sejtciklus kilépése és a sejtosztódás és a sejtnyúlás közötti egyensúly határozza meg (Perilli et al., 2012). Az áramlási citometriás profil a sejtciklus előrehaladását mutatja az elsődleges gyökér mentén, és a sejtciklus fázisaiban lévő relatív sejtek számát mutató adatok jelzik a sejtek aktivitását több gyökérzónában. Ezért, amikor a sejtek kilépnek a sejtciklusból, leállhat a ciklikusság. Emellett általában feltételezik, hogy a sejtek kilépése a sejtciklusból a mitózis után történik, és az új sejtciklusba való belépésről szóló döntés a G1-S átmeneti ponton születik meg a növekedési faktorok és különböző hormonok hatására (Gutierrez és mtsai., 2002; Inzé és De Veylder, 2006; Polyn és mtsai, 2015).

Az 1. ábrán azt mutatjuk, hogy a 30°C-on nevelt 150-160 mm-es gyökerekben a merisztéma gyakorlatilag az MZ-re korlátozódik, az RCJ-től 0-1,5 mm-re lévő zónára, ahol a G0/G1-, S- és G2/M-fázisban lévő sejtek aránya körülbelül 27, 23 és 39 volt (1. táblázat). A G1, S, G2 és M fázisok relatív időtartamát az Allium merisztémában 26,5, 44,5, 16,5 és 12,5%-ra becsülték (Giménez-Martín et al., 1977), és ezek a százalékos arányok más fajoknál is nagyon hasonlóak. Bár eredményeink szerint a kukorica merisztémában alacsonyabb az S-fázisban lévő sejtek aránya, az értékek (23%) elegendőek voltak a sejtciklus előrehaladásának jelzésére (Reichheld et al., 1999). Ezek a relatív arányok rendkívüli módon megváltoztak a TZ elemzésekor, ebben a zónában. A G0/G1, S és G2/M fázisok esetében 9, 10 és 68% volt az arány. Ez az eredmény arra utal, hogy a sejtek akkor kezdtek kilépni a sejtciklusból, amikor elérték az RCJ-től számított 1,5 mm távolságot. Ezenkívül az EZ-ben mért százalékos arányok azt sugallták, hogy 3 mm-nél a sejtek kiléptek a sejtciklusból (1. ábra, 1. táblázat). Ezenkívül a G0-G1- és S-fázisban lévő sejtek százalékos arányának csökkenését kompenzálta a G2-M fázis növekedése (1. táblázat, 2. ábra). Ezek az eredmények egyértelműen azt mutatják, hogy a sejtek megállítják a sejtciklust, amikor a G2 fázisban vannak.

Beszámoltunk arról, hogy a legtöbb sejttípus G1-fázisban hagyja el a merisztémát, és az utóbbi időben a G1-S átmenet csak a pericikuláris sejtekben indul meg az oldalgyökér elindításához (Vanneste et al., 2007). Az Arabidopsis periciklusában a protoxilem pólusai melletti sejtek a javaslat szerint megszakítás nélkül folytatják a sejtciklust, amikor áthaladnak az átmeneti, megnyúlási és differenciálódási zónákon (Dubrovsky és mtsai., 2008). Ezek a sejtek az egyedüliek, amelyek osztódnak az oldalgyökér primordiumok beindításához. A gyökeret alkotó többi sejt azonban nem osztódik. Ezután a gyökérszövetek többségét alkotó epidermális és kéregsejtek nem folytatják a ciklusukat, amikor elhagyják a gyökérmerisztémát.

Az elemzésünkben a G2 fázisban lévő sejtek számának jelentős növekedését figyeltük meg a TZ-ben és az EZ-ben. Ez az eredmény arra utal, hogy a merisztémát a G2 fázisban elhagyó sejtek nem mennek át mitózisba, hanem megállnak ebben a G2 fázisban, és abban maradnak. Feltételezésünk szerint a merisztémából a G1- vagy S-fázisban kilépő sejtek a sejtciklust a G2-fázisig folytatják, ahol megállnak. Ez azon a megfigyelésen alapul, hogy a G0/G1 fázisban lévő sejtek százalékos arányának csökkenését az MZ és a TZ között (29,7%) a G2 fázisban lévő sejtek arányának növekedése (28,8%) kompenzálja (1. táblázat, 2. ábra). A G2 százalékos arányának gyenge csökkenése az EZ és a DZ bazális vége között (az RCJ-től 20-30 mm-re) következik be. Ezt a kis mértékű csökkenést a hiperploid sejtmagok számának csökkenésével együtt a hipoploidok arányának növekedése kompenzálja (1. táblázat).

Másrészt arról számoltak be, hogy a kukorica csúcsgyökerében a TZ nem vesz részt mitotikus osztódásban, és ebben a zónában a posztmitotikus sejtmagok a sejtben központi helyen helyezkednek el (Baluška et al., 2001). Emellett a gyökérzóna mentén nem figyeltek meg mitotikus alakzatokat; az oldalgyökér primordiumok beindulását az RCJ-től 20-25 mm között figyelték meg (Alarcón et al., 2016). Arabidopsisban a periciklusban a legkorábbi mitózis átlagos távolsága 3194 µm, és az első mitózist a gyökércsúcstól 2205 µm-re figyelték meg (Dubrovsky et al., 2001). Kukorica gyökérben csak az RCJ-től 20-30 mm-re néhány periciklussal szemben lévő xilémasejt kondenzált citoplazmát mutatott, ami azt jelzi, hogy újra belépnek a sejtciklusba (Alarcón et al., 2016). Ezeket a különbségeket a kukorica nagyobb gyökérnyúlási sebessége okozhatja, amely 80-90 mm/nap, míg az Arabidopsis csak 10 mm/nap növekszik (Dubrovsky et al., 2001).

Szövetspecifikus kvantitatív mikroszkópos elemzéssel kimutatták, hogy a kéreg és az epidermisz egyes sejtjei az első endociklusban voltak (4C és 8C közötti DNS-tartalom) a nyúlás kezdetén. Sőt, az átmeneti zónában lévő metaxilem elemek sejtmagjai egy vagy két endociklust végeztek, elérve a 32C-ot a gyors megnyúlás kezdetén (Baluška, 1987, 1990; Baluška és Kubica, 1984; Baluška és mtsai., 1995). Nemrégiben leírták, hogy az endoreduplikáció növényekben már a sejtek differenciálódásának megkezdése előtt bekövetkezik (De Veylder et al., 2007). Mi azonban nem figyeltünk meg releváns számú, 4n-nél magasabb ploidiaszintű sejtmagot. Továbbá, ha az endoreduplikáció gyakori folyamat lenne a kukorica gyökércsúcsában, azt várnánk, hogy a hiperploidia növekedni fog, ahogy az RCJ-től távolabb eső zónákat elemeztük. A hyperploidia azonban nemhogy nem nőtt a zónák elongációs zónáiban, hanem csökkent (1. táblázat).

Beszámoltak arról, hogy a periciklus sejtjei G1-fázisban maradnak, amíg vissza nem lépnek a sejtciklusba (Vanneste et al., 2007). A periciklus sejtek azonban csak egy kis töredékét képviselik a gyökércsúcsot alkotó sejtek összmennyiségének; a gyökércsúcsban az epidermális és a kéregsejtek a leggyakoribb sejttípusok. Akkor, ha az összes sejt mintegy 70%-a G2-fázisban hagyja el a merisztémát, akkor az epidermális és kéregsejtek nagy részének G2-fázisban kell lennie, amikor elhagyja a merisztémát. Feltételezhető, hogy az epidermális és a kéregsejtek megnyúlása szabályozza a gyökér hosszanti növekedését (Alarcón et al., 2014b). Ezért a gyökérnyúlást eredményező differenciálódási folyamatban részt vevő sejteknek G2 fázisban kell lenniük.