Shoot apical development during in vitro embryogenesis

摘要

Formation of the shoot apical meristem (SAM) has been extensively investigated in zygotic embryos of flowering plants, where it follows a prolonged and dynamic developmental pattern underlined by precise temporal and spatial changes in gene expression. Studies conducted on the plant model system Arabidopsis have revealed that SAM formation is controlled by a genetic network and involves the participation of several regulatory genes expressed at different stages of development. As a general rule apical meristem development in vivo occurs very early; at the globular stage of development in flowering plants and in club-stage embryos of conifers. Once formed, meristems of zygotic embryos are stable structures that become reactivated at the onset of germination. Shoot apical meristem formation during in vitro embryogenesis is demarked by structural events similar to those described for zygotic embryos, although differences can be observed during the late phases of development, where cellular differentiation and formation of intercellular spaces disrupt the architecture of SAMs produced in culture. These events, which denote the “unstable” nature of SAMs of somatic embryos, often result in poor conversion frequency and reduced plant regeneration. By using Picea glauca (Moench) Voss (white spruce) somatic embryos and microspore-derived embryos of Brassica napus L. (canola) as model systems, this review provides methods for improving SAM formation through manipulations of the culture medium which alter the cellular redox status. Meristem marker genes from Arabidopsis, such as WUSCHEL (which is required for the acquisition of stem fate identity), represent a valuable tool for estimating the quality of SAM produced by microspore-derived embryos of canola. In spruce, the identification of two novel meristem marker genes, HBK1 and PgAGO, will allow similar studies in conifers.De nombreuses études ont porté sur la formation du méristème apical des tiges (SAM) chez les embryons zygotiques des plantes à fleur, où il suit un patron de développement dynamique prolongé, marqué par des changements spatiotemporels précis dans l'expression des gènes. Des études conduites sur le système modèle de plante, Arabidopsis, ont montré que la formation du SAM est contrôlée par un réseau génétique, et implique la participation de plusieurs gènes régulateurs, exprimés à différents stades du développement. En règle générale le développement du méristème apical in vivo survient très tôt; au stade globulaire du développement chez les plantes à fleurs et au stade trifide chez les conifères. Une fois formés, les méristèmes des embryons zygotiques sont des structures stables qui se réactivent avec la germination. La formation du méristème apical caulinaire, au cours de l'embryogenèse in vitro, se distingue par des évènements structuraux similaires à ceux décrits pour les embryons somatiques, bien qu'on observe des différences au cours des dernières étapes du développement, où la différenciation cellulaire et la formation d'espaces intercellulaires brise l'architecture des SAMs produits en culture. Ces évènements, qui dénotent la nature «instable» des SAMs chez les embryons somatiques, conduit souvent à une faible fréquence de conversion et une régénération réduite de plantes. En utilisant comme systèmes modèles les embryons somatiques du Picea glauca (Moench) Voss (épinette blanche) et les embryons du Brassica napus L. (canola) dérivés de microspores, cette revue propose des méthodes pour améliorer la formation des SAMs, par manipulation du milieu de culture modifiant le statut redox cellulaire. Les gènes marqueurs du méristème de l'Arabidopsis, tel que WUSCHEL, requis pour déterminer l'identité du sort de la tige, constituent un moyen utile pour évaluer la qualité des SAMs produits à partir d'embryons dérivés des microspores du canola. Chez l'épinette, l'identification de deux nouveaux gènes marqueurs du méristème, HBK1 et PgAGO, permettra des études similaires chez les conifères.