Výprava do světa rostlinných buněk
3. 11. 2010
Proč směřují kořeny rostlin zrovna dolů do země? A jak vlastně rostlina roste? Co se odehrává v jejích buňkách, když se dělí a doslova rozváží nezbytné stavební látky nebo sloučeniny pro uvolnění energie? Prostřednictvím moderního konfokálního mikroskopu nám specialisté z Ústavu experimentální botaniky AV ČR připravili jedinečnou podívanou. Spolu se zvídavým Michaelem a Terezou pronikneme do světa rostlinných buněk a budeme sledovat – dokonce ve 3D – děje, které v nesčetněkrát se opakující obměně umožní rostlinám kolem nás růst.
Tereza: Možná jste si už všimli, že ve světě, ve kterém žijeme, nás obklopují rostliny.
Michael: Of course, all plants are constructed from basic biological units called cells.
Všechny rostliny se samozřejmě skládají ze základních biologických jednotek, zvaných buňky.
Tereza: A my teď společně do tohoto fantastického mikrosvěta rostlinných buněk vstoupíme.
Michael: How do plant cells organize themselves to create such a varied and diverse range of species – from the very small single cellular organisms and plants all the way to the biggest and tallest trees in the world?
Jak se buňky organizují, aby vytvořily takovou rozmanitost a bohatství druhů – od velice malých jednobuněčných organismů a rostlin a mechů až po největší a nejvyšší stromy světa,
Tereza: Máš na mysli sekvoje?
Michael: Ano.
Tereza: Jak je možné, že tyto stometrové stromy jsou schopné vést živiny od kořenů až do koruny?
Michael: How do cells grow and reproduce and multiply?
Jak buňky rostou a rozmnožují se?
Filip: K tomu, aby vědci našli odpovědi na tyto a mnoho dalších zvědavých otázek, používají modelové rostliny. Toto je jedna z nich. Docela obyčejná plevelná rostlinka – huseníček rolní, latinsky Arabidopsis thaliana.
Tereza: Díky této malé rostlině vědci konečně začínají chápat, jakým způsobem reagují na různé vnější podněty, jako je například zvyšující se koncentrace CO2 v ovzduší, nebo napadení škůdci, anebo přítomnost toxických látek v půdě.
Michael: This fascinating little plant is also helping scientists follow the cellular and molecular pathways involved in natural processes such as flowering and also the plants’ tendency to grow towards light.
Tato fascinující rostlinka pomáhá vědcům také vypátrat buněčnou a molekulární vazbu na přírodní procesy jako je kvetení a také snahu růst ke světlu.
Filip: Nedávno vědci pomocí moderní metody genetických modifikací rozšířili genetickou výbavu huseníčku o osm nových genů, většinou navržených na počítači.
Michael: This particular genetic strain is very sensitive to the presence of extremely low concentrations of the well-known explosive – trinitrotoluene, TNT.
Tento rostlinný kmen je velice citlivý na přítomnost extrémně nízkých koncentrací známé výbušniny trinitrotoluenu – TNT.
Tereza: Čistě teoreticky tedy tato na první pohled obyčejná, ovšem transgenní rostlina by mohla pomáhat vyhledávat místa s výskytem výbušnin.
Michael: But today we should be using the Arabidopsis plant for a very different reason – as a gate to the amazing world of the plant cell.
Dnes však huseníček použijeme z docela jiného důvodu. Jako bránu do úžasného světa rostlinných buněk.
Tereza: Spousty huseníčků najdete v inkubátorech Ústavu experimentální botaniky naší Akademie věd v Praze Lysolajích. Teď se na ně podíváme opravdu zblízka – pod mikroskopem.
Filip: Tyto prapodivné útvary jsou trichomy – nepatrné chloupky na vrchní straně listů huseníčku. Tak je vidí běžný světelný mikroskop.
Tereza: Ale na vás teď čeká docela jiný svět – svět fluorescenčních barev.
Filip: Nejprve krátké připomenutí: v klasickém světelném mikroskopu prosvěcujeme pozorovaný objekt světlem žárovky. Obraz se přes objektiv zobrazí na okuláru, kde jej pozorujeme.
Tereza: Konfokální mikroskop používá pro svá pozorování také doktor Lukáš Synek z laboratoře buněčné biologie. Pomocí něj studuje vylučování v rostlinných buňkách.
Filip: Pozorované vzorky se nejprve musejí obarvit fluorescenčními barvami.
Tereza: Vzorek osvětluje světlo laseru. To v něm vybudí fluorescenci – ovšem už na jiné vlnové délce. Paprsky na vzorku vytvářejí až tisícinu milimetru tenké řezy. Po průchodu polopropustnými zrcadly a filtry dopadají na optický snímač. Výsledný obraz z nich sestavuje počítač. Jedinečné ostré řezy neruší světlo z okolí jako u běžného mikroskopu.
Michael: Úžasné obrázky, že? Skutečná krása přírody.
Filip: No faktem je, že příroda je někdy těžko pochopitelná, tedy pro mne. Ale uznávám, že v tomhle případě, Michaele, Picasso je proti tomu hadr!
Michael:
Tyto kouzelné obrazy v mikrosvětě jsme získali díky zvláštním fluorescenčním proteinům.
Filip:
Prostě jsou to bílkoviny, které když ozáříte ultrafialovým zářením, krásně svítí.
Michael: We’re going to use the principle of fluorescence and a few household items to investigate the structure of these flowers.
Princip fluorescence spolu s několika pomůckami z domácnosti použijeme k tomu, abychom si objasnili stavbu těchto květů.
Tereza: Jako zdroj fluorescenční barvy posloužily speciální fixy. Trocha příslovečné Michaelovy zručnosti a náplň s barvou je venku.
Filip: Barva je rozpustná ve vodě. A tak získáme potřebný vodný roztok, který pod paprsky ultrafialové zářivky krásně fluoreskuje.
Tereza: Dejte však pozor na své oči. Ultrafialové záření je může poškodit!
Filip: Do zkumavek s fluorescenčním roztokem ponoříme čerstvě seříznuté květy.
Michael: These are some flowers, we’ve left immersed in a fluorescent ink for several hours – time for transpiration to work and for the flowers to bring up the fluorescent water into its petals and leaves. Let’s take a look under the UV lamp.
Tyto květy jsme nechali ve fluorescenční barvě několik hodin, tedy čas potřebný pro to, aby květy nasály fluoreskující vodu do svých okvětních lístků a listů. Podívejme se na to pod UV lampou.
Filip: Jak vidíte, naše fluorescenční barvivo opravdu funguje. Díky němu vidíme světélkovat části okvětních lístků i listů.
Tereza: A takhle připravují své rostlinky k pozorování pod konfokálním mikroskopem skuteční botanikové. Třeba Doktor Jan Petrášek z laboratoře hormonálních regulací u rostlin.
Filip: K pozorování stačí opravdu velmi malé vzorky nedávno vyklíčeného huseníčku.
Tereza: Připravují se více způsoby. Na zafixované, tedy usmrcené buňky působí protilátky, které se vážou na konkrétní molekuly nebo části buňky na principu klíč-zámek. Přidáním fluorescenční barvy se navázané protilátky zobrazí.
Filip: Anebo se do buňky vpraví gen, který v ní spustí produkci fluorescenční bílkoviny. Ta pod paprsky laseru krásně září.
Dr. Lukáš Synek, laboratoř buněčné biologie, ÚEB AV ČR: Podíváme se na čtyřdenní semenáčky Arabidopsis. Napřed si na sklíčko kápnu speciální fluorescenční barvičku. Ta značí buněčné membrány. Vyberu si dva semenáčky i s kouskem agaru, na kterém rostou. Vložím je do komůrky vzhůru nohama. Vzorek je hotový, jdu k mikroskopu. Teď si vzorek zaměříme a najdeme si třeba pokožku listu.
Tereza: Poznáváte? Trichom. Půlmilimetrový chloupek na lístečku huseníčku. Je to jediná, obrovská buňka.
Filip: Povrch listu ve světelném mikroskopu.
Filip: Tentýž povrch v mikroskopu konfokálním. Vidíte pouhé dvě svrchní vrstvy buněk.
Tereza: Červené jsou buněčné membrány, zelené kuličky jsou chloroplasty. V nich probíhá fotosyntéza.
Filip: Kruhové útvary jsou dýchací průduchy. Tvoří je pouhé dvě svěrací buňky.
Tereza: Michaele, to musíš vidět.
Michael: No tak mi to půjči.
Tereza: Počkej, ještě kousek!
Filip: Stále povrch listu. Modře světélkují mitochondrie – miniaturní buněčné elektrárny.
Tereza: Štěpením látek vyrábějí energii pro všechny buněčné procesy.
Filip: Na povrchu listu už sami poznáváte kruhové dýchací průduchy. Žlutě svítí endoplasmatické retikulum.
Tereza: Je to síť trubiček a cisteren, v nichž probíhá syntéza bílkovin a tuků.
Filip: Jedny tvoří buněčné membrány, jiné se exportují z buňky ven.
Tereza: Obvykle se mezi listy nebo spíše lístečky skrývá růstový vrchol. Odtud rostlinka míří k nebesům a za sluncem.
Filip: Červené jsou buněčné membrány, zelené chloroplasty.
Tereza: Růst špičky kořene huseníčku. Kořínek je široký pouhou desetinu milimetru. Zachycený pohyb trval ve skutečnosti asi dvacet minut.
Filip: Z pokožky kořene kousek nad špičkou vyrůstají kořenové vlásky. Účinně vstřebávají vodu a živiny z půdy.
Tereza: Právě ve špičce kořene jsou jedny z nejrychleji rostoucích rostlinných buněk.
Filip: Kořenový vlásek v samém začátku svého růstu. Červeně – buněčná membrána, modré jsou mitochondrie.
Tereza: Jen díky pohledům na úrovni buněk dokážou botanikové sledovat buněčné procesy. Ty určují tvar buněk, který je dán buněčnou stěnou, pevnou schránkou kolem každé buňky.
Filip: Podoba buněčné stěny se utváří během jejího vzniku.
Tereza: Jsou to desítky minut až hodiny.
Filip: Mimochodem – právě prolétáme průduchem dovnitř listu.
Tereza: Řezy buňkami kořínku. Žluté plastidy v jejich nitru se podobají chloroplastům, ale skladují třeba cukry nebo škrob.
Filip: Dělící se buňka ve špičce kořínku. Zelené mikrotubuly oddělují chromozomy. Uprostřed je červená budoucí přepážka mezi dvěma dceřinými buňkami.
Tereza: Zelené mikrotubuly zblízka. Oddělují dvě stejné skupiny modrých chromozómů dvou vznikajících buněk.
Filip: Jak dokáže rostlina určit, kam má růst stonek a kam kořen? Buňky vnímají polohy těžkých škrobových zrnek, klesajících dolů.
Tereza: Na orientaci rostliny v prostoru a na řízení jejího růstu a vývoje se významně podílí růstový hormon auxin.
Filip: Také jeho podrobnému výzkumu se věnují specialisté z Ústavu experimentální botaniky.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough