Apicale meristemen en patroonvorming

Als de bron voor alle nieuwe cellen van de groeiende plant, speelt het meristeem een belangrijke rol bij de vorming van nieuwe organen en bij de juiste plaatsing van die organen in het plantenlichaam. Het proces waarbij deze organisatie gebeurt, wordt patroonvorming genoemd en wordt bij planten gestuurd door het meristeem. Om deze taak te kunnen vervullen, moeten meristemcellen in staat zijn hun positie in de plant te interpreteren en een bepaald lot te bepalen.

Tijdens de ontwikkeling van een nieuw blad bijvoorbeeld, moeten de delende cellen van het meristeem differentiëren in verschillende functionele typen van epidermale cellen en parenchymcellen. Zij hoeven zich echter niet te differentiëren in voortplantingscellen zoals die in een bloem worden aangetroffen. Hoe kunnen meristemcellen “weten” wat ze moeten worden? De actief delende cellen van de apicale meristeem gebruiken positionele aanwijzingen zoals hormonen en cel-cel interacties als gids tijdens de differentiatie. Bovendien resulteren deze positionele signalen in de activering van bepaalde genen en de inactivering van andere genen in een set cellen, waardoor hun specifieke differentiatiepatroon op basis van hun ruimtelijke locatie in de plant in gang wordt gezet. De specifieke genen die tijdens dit proces in eerste instantie in meristeemcellen worden geactiveerd, worden homeotische genen genoemd. Deze genen coderen voor een familie van transcriptiefactoren die, eenmaal geactiveerd, het lot van een cel zullen bepalen door een hele reeks andere genen te activeren en te inactiveren.

Eén mechanisme van differentiële genexpressie (de activering en inactivering van genen tijdens differentiatie en orgaanontwikkeling) is de binding van plantenhormonen aan het oppervlak van de zich ontwikkelende cel. Van hormonen zoals cytokininen is aangetoond dat zij de transcriptie en translatie van ribonucleïnezuur (RNA) beïnvloeden. Aangenomen wordt dat de aanwezigheid van zowel cytokininen als een andere klasse hormonen, auxinen genaamd, belangrijk zijn voor een goede ontwikkeling van wortels en scheuten. Als in het laboratorium een reeks ongedifferentieerde meristemcellen in cultuur wordt gebracht, zullen zij zich niet tot een plantenembryo ontwikkelen tenzij zij met auxine en cytokinine worden gestimuleerd. Een hoge cytokinine/auxine-verhouding zal de meristeemcellen stimuleren om stengels, bladeren en bloemknoppen te ontwikkelen. Aan de andere kant stimuleert een hoge auxine/cytokinine-verhouding de meristemcellen om wortels te ontwikkelen.