Effect of chemicals known as inducers or inhibitors of programmed cell death on the androgenesis in isolated microspore cultures of tobacco (Nicotiana tabacum L.) - preliminary experiments

• Autorzy: Zur I. , Touraev A. , Wedzony M.

Warianty tytułu

PL

Wpływ substancji chemicznych aktywujących i hamujących program selektywnej śmierci komórek na przebieg androgenezy w kulturach izolowanych mikrospor tytoniu (Nicotiana tabacum L.) - badania wstępne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Developmental pathway of isolated microspores in in vitro cultures of tobacco (Nicotiana tabacum L.), treated with chemical agents known as inducers or inhibitors of various forms of PCD was under the study. Microspores at unicellular stage of development were isolated and cultured according to the method described by Touraev and Heberle-Bors (1999). Chemical agents known as an inducer (tunikamycin, Tun) and inhibitor (leupeptin, Leu) of apoptosis, and inducer of autophagy (rapamycin, Rap) were applied to cultures continuing gamethopytic or inducing sporophytic developmental pathway and its effect on microspore development was observed. All chemicals were tested at several concentrations and several lengths of the treatment period, which were selected on the basis of literature data. Microspores treated with Rap continued its gametophytic development: majority of microspores divided asymmetrically and no significant influence of Rap could be detected. The effect of Tun was strongly depended on the duration of the Tun treatment. A short Tun treatment (1-5 h) increased slightly the number of symmetrically dividing microspores. A prolonged period of Tun treatment (12 h) resulted in a significant increase in the number of symmetrically dividing microspores (from 3% to 33%). Further prolongation of Tun treatment (24 h) had lethal influence: the number of symmetrically dividing microspores increased from 1 to 14% but the viability of cultures decreased from 57% to 20%. However, in any case further embryogenic development of dividing structures was observed - a subsequent culture resulted in its progressive degeneration and death. In cultures induced towards sporophytic development a clear evidence of Leu influence on the microspore development was found. The effect of Leu application was strongly correlated with the concentration and the time of treatment. In Leu treated cultures a significant decrease in the number of embryogenic microspores and stimulation of starch accumulation was noted. Also in this case an accumulative effect of DMSO could be observed. Longer than 2 day DMSO treatment had lethal influence and increased the number of degenerated microspores by about 18-32%. This effect was strengthened when higher concentrations of Leu were applied (30 versus 10 µmol·dm⁻³). The received results indicates that the application of autophagy inhibiting agent was essential for surviving the sucrose/nitrogen starvation period - the trigger of androgenesis in isolated microspore cultures of tobacco, and that inducer of apoptosis can inhibit gametophytic pathway but was not sufficient for a successful induction of sporophytic microspore development. These experiments are the introduction to further, more detailed examination.

PL

Przeprowadzone badania miały na celu zbadanie wpływu, jaki na przebieg procesu androgenezy w kulturach izolowanych mikrospor tytoniu (Nicotiana tabacum L. cv. 'Petit Havana’ SR1) wywierać mogą substancje znane jako aktywatory i inhibitory poszczególnych form programowanej śmierci komórek. Mikrospory w fazie jednojądrowej izolowano i hodowano metodą opisaną przez Touraeva i Heberle-Borsa (1999). W doświadczeniach wykorzystano: tunikamycynę (Tun), rapamycynę (Rap), oraz leupetynę (Leu), znane jako aktywatory i inhibitory procesów apoptozy i autofagii, odpowiednio w kulturach kontynuujących rozwój gametofityczny oraz w kulturach androgenicznych. Każdą z testowanych substancji stosowano w określonym zakresie stężeń oraz przedziale czasowym, które dobrane zostały na podstawie dostępnych w literaturze danych. W kulturach izolowanych mikrospor tytoniu nie stwierdzono istotnego wpływu Rap na kierunek rozwoju mikrospor - przeważająca część populacji inicjowała asymetryczne podziały komórkowe świadczące o kontynuacji rozwoju gametofitycznego. Obecność Tun stymulowała inicjację symetrycznych podziałów komórkowych, co mogłoby sugerować indukcję androgenezy. Efekt oddziaływania Tun uzależniony był od czasu traktowania: krótkotrwała obecność (1-5 h) Tun nieznacznie podniosła częstotliwość symetrycznych podziałów komórkowych, wydłużona do 12 h - wywołała istotny wzrost (z 3% do 33%) liczby symetrycznie dzielących się mikrospor, w kulturach traktowanych Tun przez 24 h oprócz stymulacji podziałów symetrycznych (z 1 do 14%) obserwowano istotny spadek żywotności kultur (prawie dwukrotny wzrost liczby zdegenerowanych komórek z ok. 40% do 80%). Jednakże w żadnym przypadku nie obserwowano dalszego rozwoju uzyskanych struktur, w trakcie dalszej hodowli stopniowo ulegały one degeneracji i obumieraniu. Obserwowano również istotny wpływ Leu w kulturach inicjujących proces androgenezy pod wpływem kombinacji stresu wysokotemperaturowego i „głodzenia”. W kulturach traktowanych 10 µmol Leu·dm⁻³ przez 2 dni obserwowano istotny spadek liczby embriogennych mikrospor oraz stymulację akumulacji skrobi sugerujące zahamowanie procesu androgenezy. Dłuższe traktowanie Leu (4-6 dni) oraz wyższe stężenie (30 µmol·dm⁻³ ) miały niekorzystny wpływ na żywotność traktowanych kultur. Uzyskane wyniki sugerują, że wpływ substancji indukującej apoptozę (Tun) może prowadzić do zahamowania rozwoju generatywnego mikrospor, nie jest jednak czynnikiem decydującym o uruchomieniu wydajnego sporofitycznego programu rozwoju. Natomiast Leu (inhibitor autofagi) uniemożliwia przebieg androgenezy nawet w warunkach optymalnych dla efektywnej inicjacji procesu. Wyniki te stanowią podstawę do dalszych bardziej szczegółowych badań.

• Wydawca: -
• Czasopismo: Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych
• Rocznik: 2006
• Tom: 509
• Opis fizyczny: p.283-295,fig.,ref.

Twórcy

autor

Zur I.

• Institute of Plant Physiology, Polish Academy of Sciences, Niezapominajek 2, 30-334 Krakow, Poland

autor

Touraev A.

• Max F.Perutz Laboratories, Vienna Biocenter, Institute of Microbiology and Genetics, University of Vienna, Vienna, Austria

autor

Wedzony M.

• Institute of Plant Physiology, Polish Academy of Sciences, Krakow, Poland

Bibliografia

• Greenberg J.T. 1996. Programmed cell death: A way of life for plants. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93: 12094-12097.
• Hanaoka H., Noda T., Shirano Y., Kato T., Hayashi H., Shibata D., Tabata S., Ohsumi Y. 2002. Leaf senescence and starvation - induced chlorosis are accelerated by the disruption of an Arabidopsis autophagy gene. Plant Physiol. 129: 1181-1193.
• Hardwick J.S., Kuruvilla F.G., Tong J.K., Shamji A.F., Schreiber S.L. 1999. Rapamycin-modulated transcription defines the subset of nutrient-sensitive signaling pathways directly controlled by the Tor proteins. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96: 14866-14870.
• Havel L., Durzan D.J. 1996. Apoptosis during diploid parthenogenesis and early somatic embiyogenesis of Norway spruce. Int. J. Plant Sci. 157: 8-16.
• Indrianto A., Barinova J., Touraev A., Heberle-Bors E. 2001. Tracking individual wheat microspores in vitro: identification of embryogenic microspores and body axis formation in the embryo. Planta 212: 163-174.
• Iwata Y., Koizumi N. 2005. Unfolded protein response followed by induction of cell death in cultured tobacco cells treated with tunicamycin. Planta 220: 804-807.
• Kyo M., Harada H. 1986. Control of the developmental pathway of tobacco pollen in vitro. Planta 168: 427-432.
• Maraschin S.F., De Priester W., Spaink H.P., Wang M., 2005a. Androgenic switch: an example of plant embryogenesis from male gametophyte perspective. J. Exp. Bot. 56(417): 1711-1726.
• Maraschin S.F., Gaussand G., Pulido A., Olmedilla A., Lamers G.E.M., Korthout H., Spaink H.P., Wang M. 2005b. Programmed cell death during the transmition from multicellular structures to globular embryos in barley androgenesis. Planta 221(4): 459-470.
• Mccabe P.F., Levine A., Melier P.-J., Tapon N.A., Pennell R.I. 1997. A programmed cell death pathway activated in carrot cells cultured at low cell density. Plant J. 12: 267-280.
• Moriyasu Y., Ohsumi Y. 1996. Autophagy in tobacco suspension-cultured cells in response to sucrose starvation. Plant Physiol. 111: 1233-1241.
• Noda T., Ohsumi Y. 1998. Tor, a phosphatidylinositol kinase homologue, controls autophagy in yest. J. Biol. Chem. 273(7): 3963-3966.
• Nomura K., Komamine A. 1985. Identification and isolation of single cells that produce somatic embryos at a high frequency in a carrot suspension cultures. Plant Physiol. 79: 988-991.
• O'brien I.E.W., Baguley B.C., Murray B.G., Morris B.A.M., Ferguson I.B. 1998. Early stages of the apoptotic pathway in plant cells are reversible. Plant J. 13(6): 803-814.
• Pechan P.M., Keller W.A. 1988. Identification of potentially embryogenic microspores in Brassica napus. Physiol. Plant. 74: 377-384.
• Pennell R.I., Lamb C. 1997. Programmed cell death in plants. Plant Cell 9: 1157-1168.
• Thompson A.R., Vierstra R.D. 2005. Autophagic recycling: lessons from yeast help define the process in plants. Curr. Opinion in Plant Biol. 8: 165-173.
• Touraev A., Heberle-Bors E. 1999. Microspore embryogenesis and in vitro pollen maturation in tobacco, In: Methods in molecular biology. R.D. Hall (ed.), vol. Ill: Plant Cell Culture Protocols: 281-291.
• Van Doorn W.G., Woltering E.J. 2005. Many way to exit? Cell death categories in plants. Trends in Plant Sci. 10(3): 117-122.
• Wang M., Hoekstra S., Van Bergen S., Lamers G.E.M., Oppedijk B.J., Van Der Heijden M.W., De Priester W., Schilperoort R.A. 1999. Apoptosis in developing anthers and the role of ABA in this process during androgenesis in Hordeum vulgare L. Plant Mol. Biol. 39: 489-501.
• Wojtaszek P. 2000. Programowana śmierć komórki, in: Podstawy biologii komórki roślinnej. Woźny A., Michejda J., Ratajczak L. (eds.), Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań: 547-570.