Phenotyping cotton ovule fibre initiation with spatial statistics

Yield in cultivated cotton (Gossypium spp.) is affected by the number and distribution of fibres initiated on the seed surface but, apart from simple statistical summaries, little has been done to assess this phenotype quantitatively. Here we use two types of spatial statistics to describe and quantify differences in patterning of cotton ovule fibre initials (FI). The following five different species of Gossypium were analysed: G. hirsutum L., G. barbadense L., G. arboreum, G. raimondii Ulbrich. and G. trilobum (DC.) Skovsted. Scanning electron micrographs of FIs were taken on the day of anthesis. Cell centres for fibre and epidermal cells were digitised and analysed by spatial statistics methods appropriate for marked point processes and tessellations. Results were consistent with previously published reports of fibre number and spacing. However, it was shown that the spatial distributions of FIs in all of species examined exhibit regularity, and are not completely random as previously implied. The regular arrangement indicates FIs do not appear independently of each other and we surmise there may be some form of mutual inhibition specifying fibre-initial development. It is concluded that genetic control of FIs differs from that of stomata, another well studied plant idioblast. Since spatial statistics show clear species differences in the distribution of FIs within this genus, they provide a useful method for phenotyping cotton. © CSIRO 2007.

The plant ovule omics : an integrative approach for pollen−pistil interactions and pollen tube guidance studies in solanaceous species

Chez les plantes à fleurs, l’ovaire est l’organe reproducteur femelle et il interagit de façon importante avec les gamètes mâles durant la croissance, le guidage, la réception et la rupture du tube pollinique ainsi que la fusion des gamètes. Le processus débute lorsque de nombreux gènes de l’ovule sont activés à longue distance lors de la réception du pollen sur le stigmate. Afin d’explorer les signaux provenant de l’ovule ayant un impact important sur les interactions pollen–pistil, particulièrement les molécules sécrétées impliquées dans la signalisation espècespécifique, l’expression génique des ovules sous forme d’ARNm ainsi et la sécrétion protéique ont été étudiées chez Solanum chacoense, une espèce diploïde de pomme de terre sauvage. S. chacoense a subi beaucoup d’hybridation interspécifique avec d’autres espèces sympathiques de solanacées, facilitant ainsi grandement l’étude des interactions pollen–ovule de façon espècespécifique ainsi que leur évolution. Dans ce projet, des ovules provenant de trois conditions différentes ont été comparés: des ovules matures de type sauvage, des ovules légèrement immatures, récoltés deux jours avant l’anthèse et des ovules provenant du mutant frk1 pour lesquels le sac embryonnaire est absent. Un séquençage d’ARN à haut débit a d’abord été effectué sur les ovules de type sauvage de S. chacoense afin de générer un assemblage de référence comprenant 33852 séquences codantes. D’autres séquençages ont été effectués sur les trois conditions d’ovules et sur les feuilles afin de faire une analyse d’expression différentielle des gènes. En comparaison avec les ovules de type sauvage, 818 gènes sont réprimés dans les ovules du mutant frk1. Un sous-groupe de 284 gènes, étaient également sous-exprimés dans les ovules légèrement immatures, suggérant un rôle spécifique dans les stades tardifs de la maturation du sac embryonnaire (stade de développent FG6 à FG7) ainsi que du guidage du tube pollinique, puisque ni les ovules du mutant frk1 ni ceux légèrement immatures ne sont capables d’attirer les tubes polliniques lors d’essais de croissance semi in vivo. De plus, 21% de ces gènes sont des peptides riches en cystéines (CRPs). En utilisant un transcriptome assemblé de novo provenant de deux proches parents de S. chacoense, S. gandarillasii et S. tarijense, une analyse d’orthologie a été effectuée sur ces CRPs, révélant une grande variabilité et une évolution rapide chez les solanacées. De nouveaux motifs de cystéine uniques à cette famille ont également été découverts. En comparant avec des études similaires chez Arabidopsis, le sac embryonnaire de S. chacoense montre un transcriptome fortement divergent, particulièrement en en ce qui a trait à la catégorisation fonctionnelle des gènes et de la similarité entre les gènes orthologues. De plus,même si la glycosylation n’est pas requise lors du guidage mycropylaire du tube pollinique chez Arabidopsis, Torenia ou le maïs, des extraits d’ovules glycosylés de S. chacoense sont capables d’augmenter la capacité de guidage de 18%. Cette étude est donc la première à montrer une corrélation entre glycosylation et le guidage du tube pollinique par l’ovule. En complément à l’approche transcriptomique, une approche protéomique portant sur les protéine sécrétées par l’ovule (le secrétome) a été utilisée afin d’identifier des protéines impliquées dans l’interaction entre ovule et tube pollinique. Des exsudats d’ovules matures (capables d’attirer le tube pollinique) et d’ovules immatures (incapables d’attirer le tube pollinique) ont été récoltés en utilisant une nouvelle méthode d’extraction par gravité permettant de réduire efficacement les contaminants cytosoliques à moins de 1% de l’échantillon. Un total de 305 protéines sécrétées par les ovules (OSPs) ont été identifiées par spectrométrie de masse, parmi lesquelles 58% étaient spécifiques aux ovules lorsque comparées avec des données de protéines sécrétées par des tissus végétatifs. De plus, la sécrétion de 128 OSPs est augmentée dans les ovules matures par rapport aux ovules immatures. Ces 128 protéines sont donc considérées en tant que candidates potentiellement impliquées dans la maturation tardive de l’ovule et dans le guidage du tube pollinique. Cette étude a également montré que la maturation du sac embryonnaire du stade FG6 au stade FG7 influence le niveau de sécrétion de 44% du sécrétome total de l’ovule. De façon surprenante, la grande majorité (83%) de ces protéines n’est pas régulée au niveau de l’ARN, soulignant ainsi l’importance de cette approche dans l’étude du guidage du tube pollinique comme complément essentiel aux études transcriptomiques. Parmi tous les signaux sécrétés par l’ovule et reliés au guidage, obtenus à partir des approches transcriptomiques et protéomiques décrites ci-haut, nous avons spécifiquement évalué l’implication des CRPs dans le guidage du tube pollinique par l’ovule chez S. chacoense, vu l’implication de ce type de protéine dans les interactions pollen-pistil et le guidage du tube pollinique chez d’autres espèces. Au total, 28 CRPs étaient présentes dans les ovules capables d’attirer le tube pollinique tout en étant absentes dans les ovules incapables de l’attirer, et ce, soit au niveau de l’ARNm et/ou au niveau du sécrétome. De celles-ci, 17 CRPs ont été exprimées dans un système bactérien et purifiées en quantité suffisante pour tester le guidage. Alors que des exsudats d’ovules ont été utilisés avec succès pour attirer par chimiotactisme le tube pollinique, les candidats exprimés dans les bactéries n’ont quant à eux pas été capables d’attirer les tubes polliniques. Comme l’utilisation de systèmes d’expression hétérologue eucaryote peut permettre un meilleur repliement et une plus grande activité des protéines, les candidats restants seront de nouveau exprimés, cette fois dans un système de levure ainsi que dans un système végétal pour produire les peptides sécrétés. Ceux-ci seront ensuite utilisés lors d’essais fonctionnels pour évaluer leur capacité à guider les tubes polliniques et ainsi isoler les attractants chimiques responsable du guidage du tube pollinique chez les solanacées comme S. chacoense.

Developmental anatomy and morphology of the ovule and seed of Heliconia (Heliconiaceae, Zingiberales)

The developmental anatomy and morphology of the ovule and seed in several species of Heliconia were investigated as part of an embryological study of the Heliconiaceae and to provide a better understanding of their relationships with the other families of the Zingiberales. Heliconia species have an ovule primordium with an outer integument of both dermal and subdermal origin. The archesporial cell is divided into a megasporocyte and a single parietal cell, which in turn are divided only anticlinally to form a single parietal layer, disintegrating later during gametogenesis. The embryo sac was fully developed prior to anthesis. In the developing seed, the endosperm was nuclear, with wall formation in the globular stage; a nucellar pad was observed during embryo development, but later became compressed. The ripe fruit contained seeds enveloped by a lignified endocarp that formed the pyrenes, with each pyrene having an operculum at the basal end; the embryo was considered to be differentiated. Most of these characteristics are shared with other Zingiberales, although the derivation of the operculum from the funicle and the formation of the main mechanical layer by the endocarp are unique to the Heliconiaceae.

Comparative study of ovule and fruit development in species of Hypolytrum and Rhynchospora (Cyperaceae, Poales)

The development of the ovule and of the fruit of Hypolytrum bullatum and H. schraderianum (Mapanioideae) and of Rhynchospora consanguinea and R. rugosa (Cyperoideae) are described. All species share anatropous, bitegmic and crassinucellate ovules, funicular obturator, megagametophyte of the Polygonum type, presence of starch grains in the mature megagametophyte, free-nuclear endosperm, Onagrad-type embryogeny, testal-tegmic seed, and a simple fruit of the achene type. Rhynchospora species have characters typical of the family: micropyle formed by the inner integument alone; 3-4-layered parietal tissue; and hard achene. Hypolytrum species differ in those characters by presenting a slightly zigzag micropyle formed by both integuments connected with the funicular obturator, 5-8-layered parietal tissue, and fibrous-spongy achene. The peculiar formation of the micropyle in Hypolytrum is a feature reported here for the first time in the family. The ontogeny provides evidence for a better understanding of the dispersal unit in Hypolytrum supporting the classification as a true achene, like that of Rhynchospora, which is characteristic of the family.

Structure and development of the ovule in Bromeliaceae

Ovule structure and development are described for twelve species of Bromeliaceae, representing ten genera and all three subfamilies, including all three tribes of the polyphyletic subfamily Pitcairnioideae (Brocchinieae, Puyeae and Pitcairnieae). The characteristic micropylar and chalazal seed appendages of Bromeliaceae are compared with developing structures in the ovules. Chalazal seed appendages have also been reported in the putatively related family Rapateaceae, but they differ in detailed structure, and may have evolved independently in the two families.

Ovule, fruit and seed development in Abolboda (Xyridaceae, Poales): implications for taxonomy and phylogeny

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Development of ovule, fruit and seed of Xyris (Xyridaceae, Poales) and taxonomic considerations

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

A Fiberless Seed Mutation in Cotton Is Associated with Lack of Fiber Cell Initiation in Ovule Epidermis and Alterations in Sucrose Synthase Expression and Carbon Partitioning in Developing Seeds1

Fiber cell initiation in the epidermal cells of cotton (Gossypium hirsutum L.) ovules represents a unique example of trichome development in higher plants. Little is known about the molecular and metabolic mechanisms controlling this process. Here we report a comparative analysis of a fiberless seed (fls) mutant (lacking fibers) and a normal (FLS) mutant to better understand the initial cytological events in fiber development and to analyze the metabolic changes that are associated with the loss of a major sink for sucrose during cellulose biosynthesis in the mutant seeds. On the day of anthesis (0 DAA), the mutant ovular epidermal cells lacked the typical bud-like projections that are seen in FLS ovules and are required for commitment to the fiber development pathway. Cell-specific gene expression analyses at 0 DAA showed that sucrose synthase (SuSy) RNA and protein were undetectable in fls ovules but were in abundant, steady-state levels in initiating fiber cells of the FLS ovules. Tissue-level analyses of developing seeds 15 to 35 DAA revealed an altered temporal pattern of SuSy expression in the mutant relative to the normal genotype. Whether the altered programming of SuSy expression is the cause or the result of the mutation is unknown. The developing seeds of the fls mutant have also shown several correlated changes that represent altered carbon partitioning in seed coats and cotyledons as compared with the FLS genotype.

柏科植物雌球果发育的研究

在裸子植物系统学研究中，雌球果的形态与结构是最重要的性状之一。山于不同学者对裸子植物雌性生殖构造的形态学本质有着不同的见解，从而导致对该类群植物系统发育研究结果的差异。柏科在裸子植物中是唯一一个广布于南北两半球的科，前人对该科雌球果发育的研究涉及很少，为了进一步了解柏科植物雌球果的形态学本质，并为裸子植物传粉生物学和系统学的研究提供重要资料，本文选取了分布于北半球柏科中的7个属14个种，应用扫描电镜、半薄切片、石蜡切片及整体透明等方法，对其雌球果各部分的形态发生与发育过程作了详尽的研究，同时对传粉前后雌球果中的维管系统作了深入的分析。主要结果归纳如下： 1)雌球花苞片的形态、结构和排列方式等与叶相似;但传粉后，随着苞片基部的居间生长，其形态结构变得多样化： 2)在柏科了个属中，均未观察到种鳞发育，成熟球果的苞鳞得到充分发育; 3)各苞片腋内的胚珠发育过程，几乎是同时发育或呈向顶发育过程; 4)在圆柏属和柏木属球果顶端的苞片腋内也有胚珠发育，其它各属雌球花顶端的1-2对苞片腋内均没有胚珠发育; 5)在柏木属中，每一苞片腋内形成的胚珠数目较多，一般排成2-3行，同～苞片腋内的胚珠呈向基发育，同一行胚珠为离心发育; 6)圆柏属的雌球果发育呈现多种式样，其中包括由数枚侧生胚珠过渡到一枚顶生胚珠等情况; 7)柏科植物雌球花的维管系统在传粉前较为简单，即在苞片内仅具单一的维管束延伸到顶端，与营养芽相似。传粉后随着苞片基部的居间生长，其维管系统也随之复杂化。主要是在苞鳞内有新的维管束形成，一般是在苞鳞中间维管束的两侧各发出一束维管束，这两束维管束由球果轴发出的位置略高于中间一束，并在苞鳞基部迅速分枝，形成不同的排列式样。 成熟球果维管系统的排列方式与球果和苞鳞的形态有关，通常可分为三类：(1)具球形球果的种类，包括圆柏属、扁柏属、柏木属和福建柏属，其苞鳞内辐射状分枝的维管束形成两组，即～个具有木质部倒转的近轴系列和一个维管束J下常排列的远轴系列;(2)在苞鳞中只形成一组倒转的维管束，如侧柏属和翠柏属：(3)崖柏属雌球果的苞鳞中没有倒转的维管束形成。 观察结果表明：柏科植物雌球果均为复轴性构造，其球果中胚珠着生在球果轴上是由于苞片腋内种鳞退化的结果，因而不支持柏科植物雌球果的种鳞与苞鳞完全合生的观点。 通过对柏科植物雌球果发育的研究结果，也为探讨松杉类植物雌球果的演化趋势提供了重要线索。长期以来，众多研究者均认为，松杉类植物雌球果的演化趋势是种鳞和苞鳞逐渐合并的过程，但从柏科植物雌球果苞鳞腋内种鳞退化现象的发现表明，松杉类植物雌球果的演化趋势可能是一种种鳞逐渐退化的过程。柏科的种鳞已完全退化，而苞鳞则相对发育。 依据雌球果发育中胚珠发育顺序及苞鳞数目等特征，认为福建柏属最原始，而圆柏属则较为进化，其它各属则介于上述两属之间。 江泽平和王豁然(1997)提出，柏木亚科和澳洲柏亚科的主要区别在于球果可育苞鳞的着生位置，如前者球果顶部苞鳞没有胚珠发育，而后者则是球果顶部苞鳞腋内有胚珠发育。这一观点显然与柏木属和圆柏属的多数雌球果顶部的苞鳞腋内有种子产生的情况不相符合。 依据本文的研究的结果及前人对柏科和相近类群的研究资料，赞同保留独立的柏科和杉科;另外，以往侧柏曾被置于崖柏属中，但依据其雌球果苞鳞中有倒转的维管束发育，崖柏属的崖柏和北美香柏雌球果的苞鳞中均无倒转的维管束发育，我们支持其独立为侧柏属。

Embryology of Swertia cincta (Gentianaceae) and Its Systematic Value

This paper reports the mega-, micro-sporogenesis and female-, male-gametogenesis of Swertia cincta for the first time, with the aim of discussing the systematic position of section Platynema and section Ophelia of Swertia. Anthers are tetrasporangiate. The development of anther walls conforms to the dicotyledonous type. The tapetum cells have dual origin and are similar to the glandular type. There are two middle layers. The endothecium and epidermis persist. Cytokinesis in the microsporrocyte meiosis is simultaneous type and the microscpore teads are tetrahedral. Pollen grains are 3-celled. The ovary is bicarpellum and unilocular. The placentation is of suparietal placentation with 12 series of ovules. The ovules. The ovule is unitegmic, tenuinucellar and ana-campylotropous, The embryo sac orignates from the single-archesporial cell. The one chalazal megaspore in lienar tetrad become the functional megasore. The development of embryo sac is of the polygonum type. Before fertilization, two polar nuclei fuse into one secondary nucleus. Three antipodal cells persisted and divided into 5-8 cells. A comparison between two sections indicates that section Plathnema is better treated as distinct section and is more advanced than section Ophelia according to the evolutionary trends of embryological characters.