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)

Embryology and seed development of Blastocaulon scirpeum and Paepalanthus scleranthus (Eriocaulaceae)

The embryology and seed structure of Blastocaulon scirpeum (Mart.) Giul. and Paepalanthus scleranthus Ruhland were studied in order to contribute to the embryology of Eriocaulaceae and supply data for future taxonomic studies. Both species present: anther with 4-layered wall; conspicuous endothecium with fibrous thickenings; secretory tapetum with uninucleate cells; successive microsporogenesis forming isobilateral microspore tetrads; bicellular pollen grains; orthotropous, bitegmic and tenuinucellate ovule; micropyle formed by the inner integument alone; megagametophyte of the Polygonum type, with a conspicuous antipodal cyst; nuclear and starchy endosperm; reduced, undifferentiated, and bell-shaped embryo; operculate and endotestal seed; seed coat derived from the two ovule integuments; and tanniniferous endotegmen. In addition, Blastocaulon scirpeum shows a bisporangiate anther and a 3-layered ovary wall, while P. scleranthus presents a tetrasporangiate anther that becomes bisporangiate at maturity, and a 2-layered ovary wall. This investigation shows that the bisporangiate condition does not suffice to separate Blastocaulon from Paepalanthus, since it is common to both. It also indicates, based on several embryological aspects, the proximity of Eriocaulaceae and Xyridaceae, which comply mainly with the features presented by the other commelinid families. These results may be used in future cladistic analysis of the family, and contribute to a better understanding of its phylogeny.

Ovule ontogeny of Tabebuia pulcherrima Sandwith (Bignoniaceae): megasporogenesis and integument development

The ovule of Tabebuia pulcherrima is anatropous, unitegmic and tenuinucellate. The nucellus shows a trizonate structural organization. The integument is initiated by periclinal divisions in the dermal layer (zone I), around the base of the archesporium. Subsequently, cells derived from the subdermal layer (zone II) start to push the dermal cells, so that they shift toward the micropylar region. The archesporial cell differentiates directly into the megaspore mother cell, undergoes meiosis, and originates a linear tetrad of megaspores. The mature embryo sac mother cell is elongated, possess a conspicuous central nucleus, and a characteristic bipolar vacuome with fibrous-granulated content. The inner cell layers of the integument differentiate into an amyloplast-rich endothelium. Patterns of callose deposition in the tetrad and selection of the functional megaspore, as well as the taxonomic value of some characters are discussed.

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

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Ovule ontogeny of Tabebuia pulcherrima Sandwith (Bignoniaceae): embryo sac development

The chalazal megaspore develops in a Polygonum-type embryo sac. The amyloplast-rich endothelium is partially degraded during the expansion of the micropylar portion of the megagametophyte. Organization of the mature embryo sac is determined by the patterns of vacuolation, nuclear migration, spindle orientation and cellularization. The egg cell is slightly chalazal in relation to the synergids, and its micropylar end does not touch the micropylar channel. At the chalazal pole of the egg apparatus, the common walls between the synergids, the egg and central cells, despite their tenuity, are present in the mature megagametophyte. The polar nuclei do not fuse before fertilization and the antipodals are persistent until the first stages of endosperm formation. The taxonomic significance of some embryological characters for the Bignoniaceae is discussed.

Ovule ontogenesis and megasporogenesis in Adesmia latifolia (Spreng.) Vog. (Leguminosae-Papilionoideae)

The ovule ontogenesis and the megasporogenesis events were studied under bright field, fluorescence and scanning electron microscopy. The primordium is 3-zonate and gives rise to a hemianatropous, bitegmic and crassinucellate ovule. The archesporium may consist of one or more archesporial cells, but only one undergoes meiosis, forming a linear tetrad. Normally, only a single megaspore is functional in the chalazal position, but occasionally two functional chalazal megaspores arise. The present study provides additional information on embryological characters in the Adesmieae tribe and discusses their taxonomic significance to the Leguminosae family.

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.

Desenvolvimento de óvulo, fruto e semente de espécies de Poaceae (Poales)

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

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.

Embriologia e desenvolvimento pós-seminal de espécies de Poaceae (Poales)

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

Desenvolvimento de óvulo, fruto e semente de Xyris (Xyridaceae, Poales)

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)