Ciclul celular de-a lungul rădăcinii primare de porumb
Rădăcina primară de porumb a fost împărțită în segmente consecutive care au indicat limitele capacului rădăcinii, zona de alungire a meristemului apical și zona de diferențiere, conform rezultatelor anterioare (Alarcón et al., 2016). Distanța de la RCJ până la vârful rădăcinii a fost estimată la 457 µm, care a fost eliminată înainte de a împărți rădăcina în mai multe zone. Zona meristematică apicală a rădăcinii (MZ) este situată în partea cea mai apicală de 1,5 mm a rădăcinii de la RCJ, iar zona de tranziție (TZ) a continuat până la 3 mm. Zona de alungire rapidă (EZ), în care celulele se alungesc rapid, a fost atribuită la 3-6 mm; iar în regiunile îndepărtate de 6 mm am observat că rata de alungire a celulelor începe să scadă, ceea ce indică zona de terminare a creșterii (Verbelen et al., 2006). Zonele situate la 12-20 mm și 20-30 mm de RCJ sunt zone de diferențiere (DF), în care rădăcinile laterale își încep dezvoltarea. Disecții similare ale rădăcinilor au fost realizate la Arabidopsis, unde rădăcina a fost disecată în cinci secțiuni, care sunt mai scurte decât cele din rădăcina de porumb (Cools et al., 2010). Recent, a fost raportată o expresie genetică diferențiată de-a lungul rădăcinii de Arabidopsis, iar genele reprimate sau induse variază mai ales în trecerea de la zona meristematică la cea de tranziție, precum și de la zona de tranziție la cea de alungire (Chaiwanon și Wang, 2015).
Limita meristemului rădăcinii este determinată de ieșirea din ciclul celular și de echilibrul dintre diviziunea celulară și alungirea celulară (Perilli et al., 2012). Profilul citometriei de flux arată progresia ciclului celular de-a lungul rădăcinii primare, iar datele care arată numărul de celule relative pe fazele ciclului celular indică activitatea celulară în mai multe zone ale rădăcinii. Prin urmare, atunci când celulele ies din ciclul celular, este posibil ca acestea să se oprească din ciclare. În plus, se presupune, în general, că ieșirea celulelor din ciclul celular are loc după mitoză, iar decizia de a intra într-un nou ciclu celular este luată în punctul de tranziție de la G1 la S, ca răspuns la factorii de creștere și la diverși hormoni (Gutierrez et al., 2002; Inzé și De Veylder, 2006; Polyn et al, 2015).
În Fig. 1 arătăm că, la rădăcinile de 150-160 mm cultivate la 30°C, meristemul este practic restrâns la MZ, zona de 0-1,5 mm de la RCJ, unde procentele de celule în fazele G0/G1-, S- și G2/M- au fost de aproximativ 27, 23 și, respectiv, 39 (Tabelul 1). Durata relativă pentru G1, S, G2 și M în meristemul Allium a fost estimată la 26,5, 44,5, 16,5 și, respectiv, 12,5% (Giménez-Martín et al., 1977), iar aceste procente sunt foarte asemănătoare la alte specii. Deși rezultatele noastre au raportat că meristemul de porumb are un procent mai mic de celule în faza S, valorile (23%) au fost suficiente pentru a indica progresia ciclului celular (Reichheld et al., 1999). Aceste proporții relative s-au schimbat extraordinar de mult atunci când se analizează TZ, în această zonă. Procentele au fost de 9, 10 și 68%, pentru fazele G0/G1, S și, respectiv, G2/M. Acest rezultat sugerează că celulele au început să părăsească ciclul celular atunci când au ajuns la 1,5 mm de RCJ. În plus, procentele din EZ au sugerat că la 3 mm celulele au ieșit din ciclul celular (Fig. 1, Tabelul 1). În plus, scăderea procentului de celule în fazele G0-G1- și S a fost compensată cu o creștere în G2-M (tabelul 1, fig. 2). Aceste rezultate arată clar că celulele opresc ciclul celular atunci când se află în faza G2.
Distribuția populației celulare în mai multe faze ale ciclului celular de-a lungul apexului rădăcinii. Rădăcinile au fost cultivate hidroponic la 30°C pentru a ajunge la o lungime de 150-160 mm. Datele provin dintr-un experiment individual reprezentativ, utilizând cel puțin 10.000 de celule în estimările procentelor la diferite distanțe față de RCJ. Experimentele au fost realizate în triplu exemplar.
Tabelul 1.
Efectul temperaturii asupra ciclului celular în mai multe zone ale apexului rădăcinii de porumb
Efectul temperaturii asupra ciclului celular de-a lungul apexului rădăcinii porumbului. Histograme de frecvență a conținutului de ADN reprezentând celule din mai multe segmente ale apexului rădăcinii de porumb cultivate la 20°C și 30°C. Coloana din stânga reprezintă histograme de la rădăcini cultivate la 30°C; coloana din dreapta sunt de la rădăcini cultivate la 20°C. Rădăcinile au fost împărțite în mai multe segmente: 0-1,5 mm (A,G); 1,5-3 mm (B,H); 3-6 mm (C,I); 6-12 mm (D,J); 12-20 mm (E,K) și 20-30 mm (F,L). Datele provin de la un experiment individual reprezentativ care utilizează cel puțin 10.000 de celule. Experimentele au fost efectuate în triplu exemplar.
S-a raportat că majoritatea tipurilor de celule părăsesc meristemul în faza G1, iar în ultima vreme tranziția G1 la S este declanșată doar în celulele periciclelor pentru a iniția rădăcina laterală (Vanneste et al., 2007). În periciclul Arabidopsis, s-a propus ca celulele adiacente polilor protoxilemului să continue ciclul celular fără întrerupere atunci când trec prin zonele de tranziție, alungire și diferențiere (Dubrovsky et al., 2008). Aceste celule sunt singurele care se divid pentru a iniția primordiile rădăcinilor laterale. Cu toate acestea, restul celulelor care constituie rădăcina nu se divid. Apoi, celulele epidermice și ale cortexului care alcătuiesc majoritatea țesuturilor rădăcinii nu continuă ciclul atunci când părăsesc meristemul rădăcinii.
În analiza noastră am observat o creștere remarcabilă a celulelor în faza G2 în TZ și EZ. Acest rezultat sugerează că celulele care părăsesc meristemul în faza G2 nu suferă mitoză, ci se opresc la această fază G2 și rămân în ea. Noi speculăm că celulele care ies din meristeme în faza G1 sau S continuă ciclul celular până în G2, unde se opresc. Această ipoteză se bazează pe observația că scăderea procentului de celule în G0/G1 între MZ și TZ (29,7%) este compensată de o creștere în G2 (28,8%) (tabelul 1, fig. 2). O scădere slabă a procentului de G2 se realizează între EZ și capătul bazal al DZ (20-30 mm de la RCJ). Această mică diminuare, împreună cu scăderea nucleilor hiperploizi, este compensată de creșterea nivelului de hipoploizi (Tabelul 1).
Pe de altă parte, s-a raportat că TZ din rădăcina apexului porumbului nu sunt angajate în diviziuni mitotice, iar în această zonă nucleii postmitotici sunt localizați într-o poziție centrală în interiorul celulei (Baluška et al., 2001). În plus, nu au fost observate figuri mitotice de-a lungul zonei radiculare; inițierea primordiilor rădăcinilor laterale a fost observată între 20-25 mm de la RCJ (Alarcón et al., 2016). La Arabidopsis, distanța medie până la cea mai timpurie mitoză în periciclu este de 3194 µm, iar prima mitoză a fost observată la 2205 µm de la vârful rădăcinii (Dubrovsky et al., 2001). La rădăcina de porumb, numai la 20-30 mm de la RCJ, unele celule xilemice opuse periciclului au prezentat citoplasmă condensată, ceea ce indică faptul că acestea reintră în ciclul celular (Alarcón et al., 2016). Aceste diferențe ar putea fi cauzate de rata mai mare de alungire a rădăcinii la porumb, care crește 80-90 mm/zi, în timp ce Arabidopsis se alungește doar 10 mm/zi (Dubrovsky et al., 2001).
A fost demonstrat cu ajutorul unei analize microscopice cantitative specifice țesutului că unele celule din cortex și epidermă se aflau în primul endociclu (conținut de ADN între 4C și 8C) la începutul alungirii lor. Mai mult, nucleele elementelor de metaxilem din zona de tranziție au realizat unul sau două endocicluri, ajungând la 32C la începutul alungirea lor rapidă (Baluška, 1987, 1990; Baluška și Kubica, 1984; Baluška et al., 1995). Recent, s-a descris că endoreduplicarea are loc la plante înainte ca celulele să inițieze diferențierea (De Veylder et al., 2007). Cu toate acestea, nu am observat un număr relevant de nuclee cu un nivel de ploidie mai mare de 4n. Mai mult decât atât, dacă endoreduplicarea ar fi un proces comun în vârful rădăcinilor de porumb, ne-am aștepta ca hiperploidia să crească pe măsură ce am analizat zonele mai îndepărtate de RCJ. Cu toate acestea, hiperploidia nu numai că nu a crescut în zonele de alungire a zonelor, dar a scăzut (Tabelul 1).
A fost raportat faptul că celulele periciclului rămân în faza G1 până când reintră în ciclul celular (Vanneste et al., 2007). Cu toate acestea, celulele periciclului reprezintă doar o mică fracțiune din cantitatea totală de celule care formează vârfurile rădăcinilor; celulele epidermice și cele ale cortexului fiind cele mai abundente tipuri de celule din apexul rădăcinilor. Atunci, dacă aproximativ 70% din totalul celulelor părăsesc meristemul în faza G2, majoritatea celulelor epidermice și de cortex trebuie să fie în G2 atunci când părăsesc meristemul. Se presupune că alungirea celulelor epidermice și a cortexului controlează creșterea longitudinală a rădăcinii (Alarcón et al., 2014b). Prin urmare, celulele implicate în procesul de diferențiere care duce la alungirea rădăcinilor trebuie să fie în faza G2.
.