Samenvatting Plant Molecular Biology
1 Plant reproductive development
1.1 Life cycle of angiosperm
Life cycle of an angiosperm (flowering plant): Dicotyledohous plant
1. Germination:
a. Seed ontkiemt → vorming jonge plant-achtige structuur (dicotyl) → plant groeit verder →
start vegetatieve fase
2. Vegetatieve fase: vorming meristems (structuur in de apex van de seedling): geen vorming organen
a. 2 soorten apex meristems
i. Shoot apex: shoot apical meristem (SEM) → Bovengrondse organen
ii. Root apex: root apical meristem (RAM) → Ondergrondse organen
iii. SEM en RAM kunnen aanleiding geven tot verschillende soorten organen
3. Start reproductieve groeifase: start door herprogrammering van SAM
a. Herprogrammering van SAM naar bloem-meristeem (voortplantingsorganen)
i. Floral organs i.p.v. van blad organs
4. Flower development:
a. Mannelijke deel: anther
b. Vrouwelijke deel: overium en ovule
5. Sporogensis + Gametogeneisis: zowel bij mannen en vrouwen
a. Vrouwelijke reproductie: gebeurt aan de binnenkant van de bloed
i. Ovarium: bevat ovule met embryosac
ii. Megasporocyt → meiose → functionele megasporen (n) → 3 mitotische deling
iii. Mitose: 1 functionele megaspore → deling → 2 nucleis → deling 4 nuclei → 8
nuclei en 7 cellen (1 cel zal 2 nuclei hebben) in embryosac
b. Mannelijke reproductie: Gebeurt aan de anthers
i. Microsporocyte (2n) → meiose in pollenzak → vorming microspores (n) → mitose
→ Pollen grain (n)
1. Pollen grain: bevat 2 sperm cells + 1 vegetatieve nucleus
6. Polinatie & fertilisatie:
a. Pollinatie: pollen grain komt in contact met bovenste onderdeel van de pistel (stigma)
b. Pollen grain zal germineren → vorming pollen tube
i. Functie pollen tube: tube dat sperm cells brengt naar eicel/ovules naar embryozak
c. Bij angiospermen: dubbele bevruchting → Hierdoor zijn er 2 spermacellen → zorgen voor
dubbele fertilisatie
i. Sperm nuclei (n) + eggcell (n) → 2n zygote
ii. Sperm nuclei (n) + 2 polar nuclei (n + n)/secundaire endosperm → 3n endosperm
7. Embryogenese:
a. De zygote ontwikkelt zich tot het embryo, zaailing en op het einde tot een volwassen
sporofyt
b. Gefertiliseerde endosperm zal delen (in voedingsweefsel dat nodig is voor goede
ontwikkeling van het embryo)
c. Reserve: oliën, EW in endosperm or in cotyllydons (or both) → nodig omdat er geen
fotosynthese is
➔ Lot van het endosperm hangt af van de plantensoort: korrels zijn meestal endosperm, terwijl bij
andere soorten planten het endosperm (bijna) volledig degenereert (planten met grote cotidylons)
,2
Definities
• Sporofyt: planten dat sporen produceren
o Is een diploïde (2n) structuur die ontstaat uit de zygote en die sporen produceert
o Bij angiospermen en gymnospermen is de sporofytische fase de dominante fase in de
levenscyclus.
• Gametofyt: planten dat gameten produceren
o Is de haploïde (n) structuur die zich ontwikkelt uit de sporen en die de gameten produceert
o Volwassen mannelijke gametofyt: stuifmeelkorrel → bevat de zaadcellen
▪ Stuifmeel ontstaat uit microsporen
o Volwassen vrouwelijke gametofyt: embryozak → bevat de eicel
▪ Embryozak ontwikkelt zich uit een megaspore
Meristemen:
• Ontwikkeling van planten vindt post-embryonaal plaats (meestal)
• Meeste organen → geproduceerd na de embryogenese
• Plantenmeristemen kunnen gedurende de hele levensduur nieuwe organen produceren.
▪ Meristemen bevatten stamcellen (initialen)
• Zijn ongedifferentieerde, pluripotente, delende cellen → hieruit onstaat
nieuw weefsels en organen
• Meristemen worden aangetroffen in:
• De toppen van de scheuten (shoot apical meristem of SAM)
• De worteltoppen (root apical meristem of RAM)
• Het uiteinde van de inflorescences (inflorescences-meristeem en bloemen- inflorescences)
• In bladoksels (axillary meristeem) en vaatweefsel (vasculair cambium).
• Andere meristems:
• SAM en RAM: zorgen voor groei in lengte
▪ Centrum van RAM = Quiecent centrum:
• Bestaan uit cellen die niet delen + verantwoordelijk voor organisatie van de
plant → auxine speelt een belangrijke rol
• Er is een gradiënt van auxine (= Fytohormoon, kleine molecule)
o Hoogste concentratie auxine: in Quiecent centrum: celdeling word
tegengehouden
o Laagste concentratie van auxine: buiten Quiecent centrum:
celdeling gaat door
o Vascular cambium (weefsel): meristeem regio waar stamcellen delen en zorgen voor
vorming van vasculair weefsel → groei in breedte
▪ Xyleem (binnenkant): zorgt voor transport van water en mineralen van de grond
naar de volledige plant
2
, ▪ Floëem (aan de buitenkant): zorgt voor transport van suikers (gevormd door
fotosynthese) naar de volledig plant
o Axillary meristem:
▪ Axil: punt waar stam en zijtak met plant scheiden
• Zijn niet actief → kunnen gestimuleerd worden waardoor een zijtak
ontstaat
• Vb. stimuleert signaal: tip van een plant verwijderen
o → lage /no [auxine] tot okselknoppen → geen onderdrukking van
axillary meristeem → vorming van zijtakken
o Schaduw op plant → Onderdrukking van auxineproductie-
installatie → groeit naar een lichtbron → Plant past zich aan door
meristemen
Voorbeeld meristemen: Sequoia sempervirens seedling and mature trees (~1000 yrs):
• Zijn bomen die lang leven (1000 jaren) en hoog groeien → bevatten SAM
• SAM van de Sequoia blijft leven tijdens de levenscyclus van de boom → Zorgt voor productie van
nieuwe organen
Model plant in developmental studies: Arabidopsis thaliana (Brassicaceae)
• Vroeger:
o Forward genetica ( klassieke genetica): starten van een fenotype → kijken welke
genen verantwoordelijk zijn voor een bepaald proces/fenomeen
o Mutagenese: zaden behandelen met chemische stof → kijken naar fenotypes →
welke gen is verantwoordelijk
• Nu: Reverse genetica: starten met GOI → kijken welke fenotype gevormd word
o Mogelijk door middel van sequencing
2 floral meistems: shoot apical meristem (SAM) and floral meristem (FM)
• Geïdentificeerd door forward genetica
• Er zijn 2 manieren om naar een meristem te kijken:
o 1. D.m.v kleuring: L1, L2 en L3 (meristems cellen)
▪ L1: 1-cellige laag (monolaag) = vorming epidermis
• Celdeling zorgt voor vorming 2 dochtercellen = anticlinale deling (deling
loodrecht op curvatuur)
▪ L2: vorming gameten en voorplantingsorganen
• Anticlinale en Periclinale deling
• Elke verandering in de L2 laag worden geïncorporeerd in de gameten,
waardoor ze doorgegeven worden
▪ L3: Vorming vasculair weefsel + bindweefsel (centraal intern weefsel)
• Periclinal deling: deling gebeurd in parallel met de curvatuur
• Bij deling duwen cellen het meristem naar omhoog, waardoor de plant kan
groeien
o 2. 3 zones (zwarte lijnen)
▪ CZ: centrale zone = stamcel zone
, 4
▪ PZ: perifere zone = vorming laterale organen
• zone waar differentiatie plaatsvindt → geeft aanleiding tot vorming van
bepaalde orgaan
• Side-note: fate van de cellen wordt bepaald door zijn positie (L1 – 3)
▪ RZ: ribzone
Maintenance of the SAM: molecular genetisch mechanism hoe dat meristem gevormd/actief blijven:
• Proteïne en genen werden ontdekt door forward genetica
• 3 genen die belangrijk zijn voor de meristem
o Clavata 1: vorming CLV1-proteïne → Rond WUS-expressie-domein
o Clavata 3: vorming CLV3-proteïne → Centrale zone (stamcel zone)
o Wushelig: vorming WUS-proteïne (Organizing centre)
• Circuit van 3 proteïnen:
o CLV3:
▪ Grootte: 96 AZ-polypeptide → gesplitst → 12 AZ functioneel peptide → Kan
diffunderen vanuit de CZ
▪ Is een ligand voor het CLV1-receptorachtige kinase
• Er bestaan twee parallelle signaalpathways:
o Via RPK2
o Via CLV2 (receptorachtig eiwit) met CRN (CORYNE, een kinase)
▪ Binding van CLV3 aan CLV1-receptor leidt tot onderdrukking van WUS-expressie
▪ CLV3 + CLV1 → autofosforylatie + fosforylatie door CLV1
o CLV1:
▪ Codeert voor een intracellulaire kinase-domein = receptor
▪ CLV1 onderdrukt wuschelig gen
o WUS-protein
▪ is een mobiele TF (x) die van de organizing zone naar de centrale zone migreert
door de plasmodesmata
• Vroeger wist men nog niet dat WUS een mobiele TF (x) was
▪ Word tot expressie gebracht in de organizing zone
▪ Bindt aan de CLV3-promoter en activeert transcriptie en expressie van het CLV3-
gen
▪ WUS onderdrukt ook differentiatie die TF's bevordert
o 2 groepen van cellen die elkaar onderhouden in een dynamisch equilibrium
o Gevolgen van afwijking systeem: dynamisch evenwicht
▪ Kleine centrale zone: cellen aan de zijkant differentiëren Meer → minder
stamcellen → Meer gedifferentieerde cellen → minder CLV3
• Gevolg: meer WUS → WUS bindt met CLV3 → meer CLV3 → grotere
centrale zone
▪ Grote centrale zone
• Meer CLV3 → meer onderdrukking van WUS → minder WUS bindt aan
CLV3 → vorming kleinere centrale zone
▪ WUS zal differentiatie in de centrale zone onderdrukking → hierdoor zijn de cellen
ongedifferentieerd
• Epigenetische regulatie van WUS: Andere regenen zijn ook nodig om meristem te reguleren (maar
de eerste 3 zijn de belangrijkste)
4
1 Plant reproductive development
1.1 Life cycle of angiosperm
Life cycle of an angiosperm (flowering plant): Dicotyledohous plant
1. Germination:
a. Seed ontkiemt → vorming jonge plant-achtige structuur (dicotyl) → plant groeit verder →
start vegetatieve fase
2. Vegetatieve fase: vorming meristems (structuur in de apex van de seedling): geen vorming organen
a. 2 soorten apex meristems
i. Shoot apex: shoot apical meristem (SEM) → Bovengrondse organen
ii. Root apex: root apical meristem (RAM) → Ondergrondse organen
iii. SEM en RAM kunnen aanleiding geven tot verschillende soorten organen
3. Start reproductieve groeifase: start door herprogrammering van SAM
a. Herprogrammering van SAM naar bloem-meristeem (voortplantingsorganen)
i. Floral organs i.p.v. van blad organs
4. Flower development:
a. Mannelijke deel: anther
b. Vrouwelijke deel: overium en ovule
5. Sporogensis + Gametogeneisis: zowel bij mannen en vrouwen
a. Vrouwelijke reproductie: gebeurt aan de binnenkant van de bloed
i. Ovarium: bevat ovule met embryosac
ii. Megasporocyt → meiose → functionele megasporen (n) → 3 mitotische deling
iii. Mitose: 1 functionele megaspore → deling → 2 nucleis → deling 4 nuclei → 8
nuclei en 7 cellen (1 cel zal 2 nuclei hebben) in embryosac
b. Mannelijke reproductie: Gebeurt aan de anthers
i. Microsporocyte (2n) → meiose in pollenzak → vorming microspores (n) → mitose
→ Pollen grain (n)
1. Pollen grain: bevat 2 sperm cells + 1 vegetatieve nucleus
6. Polinatie & fertilisatie:
a. Pollinatie: pollen grain komt in contact met bovenste onderdeel van de pistel (stigma)
b. Pollen grain zal germineren → vorming pollen tube
i. Functie pollen tube: tube dat sperm cells brengt naar eicel/ovules naar embryozak
c. Bij angiospermen: dubbele bevruchting → Hierdoor zijn er 2 spermacellen → zorgen voor
dubbele fertilisatie
i. Sperm nuclei (n) + eggcell (n) → 2n zygote
ii. Sperm nuclei (n) + 2 polar nuclei (n + n)/secundaire endosperm → 3n endosperm
7. Embryogenese:
a. De zygote ontwikkelt zich tot het embryo, zaailing en op het einde tot een volwassen
sporofyt
b. Gefertiliseerde endosperm zal delen (in voedingsweefsel dat nodig is voor goede
ontwikkeling van het embryo)
c. Reserve: oliën, EW in endosperm or in cotyllydons (or both) → nodig omdat er geen
fotosynthese is
➔ Lot van het endosperm hangt af van de plantensoort: korrels zijn meestal endosperm, terwijl bij
andere soorten planten het endosperm (bijna) volledig degenereert (planten met grote cotidylons)
,2
Definities
• Sporofyt: planten dat sporen produceren
o Is een diploïde (2n) structuur die ontstaat uit de zygote en die sporen produceert
o Bij angiospermen en gymnospermen is de sporofytische fase de dominante fase in de
levenscyclus.
• Gametofyt: planten dat gameten produceren
o Is de haploïde (n) structuur die zich ontwikkelt uit de sporen en die de gameten produceert
o Volwassen mannelijke gametofyt: stuifmeelkorrel → bevat de zaadcellen
▪ Stuifmeel ontstaat uit microsporen
o Volwassen vrouwelijke gametofyt: embryozak → bevat de eicel
▪ Embryozak ontwikkelt zich uit een megaspore
Meristemen:
• Ontwikkeling van planten vindt post-embryonaal plaats (meestal)
• Meeste organen → geproduceerd na de embryogenese
• Plantenmeristemen kunnen gedurende de hele levensduur nieuwe organen produceren.
▪ Meristemen bevatten stamcellen (initialen)
• Zijn ongedifferentieerde, pluripotente, delende cellen → hieruit onstaat
nieuw weefsels en organen
• Meristemen worden aangetroffen in:
• De toppen van de scheuten (shoot apical meristem of SAM)
• De worteltoppen (root apical meristem of RAM)
• Het uiteinde van de inflorescences (inflorescences-meristeem en bloemen- inflorescences)
• In bladoksels (axillary meristeem) en vaatweefsel (vasculair cambium).
• Andere meristems:
• SAM en RAM: zorgen voor groei in lengte
▪ Centrum van RAM = Quiecent centrum:
• Bestaan uit cellen die niet delen + verantwoordelijk voor organisatie van de
plant → auxine speelt een belangrijke rol
• Er is een gradiënt van auxine (= Fytohormoon, kleine molecule)
o Hoogste concentratie auxine: in Quiecent centrum: celdeling word
tegengehouden
o Laagste concentratie van auxine: buiten Quiecent centrum:
celdeling gaat door
o Vascular cambium (weefsel): meristeem regio waar stamcellen delen en zorgen voor
vorming van vasculair weefsel → groei in breedte
▪ Xyleem (binnenkant): zorgt voor transport van water en mineralen van de grond
naar de volledige plant
2
, ▪ Floëem (aan de buitenkant): zorgt voor transport van suikers (gevormd door
fotosynthese) naar de volledig plant
o Axillary meristem:
▪ Axil: punt waar stam en zijtak met plant scheiden
• Zijn niet actief → kunnen gestimuleerd worden waardoor een zijtak
ontstaat
• Vb. stimuleert signaal: tip van een plant verwijderen
o → lage /no [auxine] tot okselknoppen → geen onderdrukking van
axillary meristeem → vorming van zijtakken
o Schaduw op plant → Onderdrukking van auxineproductie-
installatie → groeit naar een lichtbron → Plant past zich aan door
meristemen
Voorbeeld meristemen: Sequoia sempervirens seedling and mature trees (~1000 yrs):
• Zijn bomen die lang leven (1000 jaren) en hoog groeien → bevatten SAM
• SAM van de Sequoia blijft leven tijdens de levenscyclus van de boom → Zorgt voor productie van
nieuwe organen
Model plant in developmental studies: Arabidopsis thaliana (Brassicaceae)
• Vroeger:
o Forward genetica ( klassieke genetica): starten van een fenotype → kijken welke
genen verantwoordelijk zijn voor een bepaald proces/fenomeen
o Mutagenese: zaden behandelen met chemische stof → kijken naar fenotypes →
welke gen is verantwoordelijk
• Nu: Reverse genetica: starten met GOI → kijken welke fenotype gevormd word
o Mogelijk door middel van sequencing
2 floral meistems: shoot apical meristem (SAM) and floral meristem (FM)
• Geïdentificeerd door forward genetica
• Er zijn 2 manieren om naar een meristem te kijken:
o 1. D.m.v kleuring: L1, L2 en L3 (meristems cellen)
▪ L1: 1-cellige laag (monolaag) = vorming epidermis
• Celdeling zorgt voor vorming 2 dochtercellen = anticlinale deling (deling
loodrecht op curvatuur)
▪ L2: vorming gameten en voorplantingsorganen
• Anticlinale en Periclinale deling
• Elke verandering in de L2 laag worden geïncorporeerd in de gameten,
waardoor ze doorgegeven worden
▪ L3: Vorming vasculair weefsel + bindweefsel (centraal intern weefsel)
• Periclinal deling: deling gebeurd in parallel met de curvatuur
• Bij deling duwen cellen het meristem naar omhoog, waardoor de plant kan
groeien
o 2. 3 zones (zwarte lijnen)
▪ CZ: centrale zone = stamcel zone
, 4
▪ PZ: perifere zone = vorming laterale organen
• zone waar differentiatie plaatsvindt → geeft aanleiding tot vorming van
bepaalde orgaan
• Side-note: fate van de cellen wordt bepaald door zijn positie (L1 – 3)
▪ RZ: ribzone
Maintenance of the SAM: molecular genetisch mechanism hoe dat meristem gevormd/actief blijven:
• Proteïne en genen werden ontdekt door forward genetica
• 3 genen die belangrijk zijn voor de meristem
o Clavata 1: vorming CLV1-proteïne → Rond WUS-expressie-domein
o Clavata 3: vorming CLV3-proteïne → Centrale zone (stamcel zone)
o Wushelig: vorming WUS-proteïne (Organizing centre)
• Circuit van 3 proteïnen:
o CLV3:
▪ Grootte: 96 AZ-polypeptide → gesplitst → 12 AZ functioneel peptide → Kan
diffunderen vanuit de CZ
▪ Is een ligand voor het CLV1-receptorachtige kinase
• Er bestaan twee parallelle signaalpathways:
o Via RPK2
o Via CLV2 (receptorachtig eiwit) met CRN (CORYNE, een kinase)
▪ Binding van CLV3 aan CLV1-receptor leidt tot onderdrukking van WUS-expressie
▪ CLV3 + CLV1 → autofosforylatie + fosforylatie door CLV1
o CLV1:
▪ Codeert voor een intracellulaire kinase-domein = receptor
▪ CLV1 onderdrukt wuschelig gen
o WUS-protein
▪ is een mobiele TF (x) die van de organizing zone naar de centrale zone migreert
door de plasmodesmata
• Vroeger wist men nog niet dat WUS een mobiele TF (x) was
▪ Word tot expressie gebracht in de organizing zone
▪ Bindt aan de CLV3-promoter en activeert transcriptie en expressie van het CLV3-
gen
▪ WUS onderdrukt ook differentiatie die TF's bevordert
o 2 groepen van cellen die elkaar onderhouden in een dynamisch equilibrium
o Gevolgen van afwijking systeem: dynamisch evenwicht
▪ Kleine centrale zone: cellen aan de zijkant differentiëren Meer → minder
stamcellen → Meer gedifferentieerde cellen → minder CLV3
• Gevolg: meer WUS → WUS bindt met CLV3 → meer CLV3 → grotere
centrale zone
▪ Grote centrale zone
• Meer CLV3 → meer onderdrukking van WUS → minder WUS bindt aan
CLV3 → vorming kleinere centrale zone
▪ WUS zal differentiatie in de centrale zone onderdrukking → hierdoor zijn de cellen
ongedifferentieerd
• Epigenetische regulatie van WUS: Andere regenen zijn ook nodig om meristem te reguleren (maar
de eerste 3 zijn de belangrijkste)
4
