When microspores decide to become embryos — cellular and molecular changes

摘要

Cultured microspores can be induced to develop into fully functional haploid embryos instead of mature pollen. The ability of these cells to change their development in response to environmental stimuli is an exceptional example of totipotency in plants. Discovering the triggers of embryo development in microspore cultures could lead to a greater understanding of the early stages of embryogenesis in plants and might be used to increase the range of crop plants to which microspore culture can be applied for the production of double haploid homozygous lines. The information might also help to define the general characteristics of pluripotent cells in any organism. In this review, the changes that occur in cellular organization and gene expression in early-stage microspore cultures of several species are discussed. Responding cells in these cultures enlarge, their nuclei are repositioned to their cell centres, and their cytoplasms become filled with fragmented vacuoles. We used flow cytometry to track cellular changes in canola (Brassica napus L.) microspore cultures as well as microarray analyses and real-time PCR to compare gene expression in embryogenic and nonembryogenic cells. A model for embryogenic cell activation in plants that involves alkalinization, Ca2+ signaling, and changes in GTPase activity that lead to significant changes in gene expression is discussed.En culture, on peut induire des microspores à se développer pleinement pour générer des embryons haploïdes fonctionnels, plutôt que des grains de pollen matures. La capacité de ces cellules à changer leur développement en réaction à des stimuli environnementaux, est un exemple exceptionnel de totipotence chez les plantes. La découverte des déclencheurs du développement embryonnaire dans les cultures de microspores pourrait conduire à une meilleure compréhension des premiers stades de l'embryogenèse chez les plantes, et pourrait être appliquée à la production de doubles lignées, homozygotes et haploïdes. Cette information pourrait aussi aider à définir les caractéristiques des cellules pluripotentes dans un organisme. Dans cette revue, les auteurs discutent les changements qui surviennent dans l'organisation cellulaire et l'expression des gènes, aux premiers stades des cultures de microspores, chez plusieurs espèces. Les cellules qui réagissent dans ces cultures s'agrandissent, leurs noyaux sont repositionnés aux centres de leurs cellules et leurs cytoplasmes s'emplissent de vacuoles fragmentées. Les auteurs utilisent la cytométrie en flux pour repérer les changements cellulaires dans les cultures de microspores de canola (Brassica napus L.), ainsi que les puces à ADN et la PCR en temps réel pour comparer l'expression des gènes, chez les cellules embryogènes et non-embryogènes. Les auteurs discutent un modèle pour l'activation des cellules embryogènes impliquant l'alcalinisation, la signalisation Ca2+ et des changements de l'activité GTPase, qui conduisent à des changements significatifs de l'expression des gènes.