Programma del modulo II (docente
M.M.Altamura) del corso di:
Plasticità cellulare e dinamiche
del differenziamento nelle piante
“Elementi di Biologia dello sviluppo delle
piante”
di M.M.Altamura, S. Biondi, L.Colombo, F.Guzzo
(EdiSES)
Obiettivo del corso:
• Far conoscere metodologie avanzate
riguardanti le modalità di realizzazione
del differenziamento delle piante e delle
sue dinamiche.
• Definizione di totipotenza e pluripotenza delle cellule
vegetali e vincoli nella reciproca conversione. Le cellule
staminali e la loro localizzazione nei meristemi.
Parallelismi e differenze tra cellule staminali vegetali ed
animali. Plasticità e determinazione del destino cellulare.
Cellule iniziali e derivate. Necessità della divisione
asimmetrica per la specificazione del differenziamento.
Marcatori d’identità cellulare. Coordinamento funzionale
nel meristema e meccanismi di interdipendenza fra
meristemi. L’effetto posizionale nel differenziamento.
Metodi per ottenere cellule staminali vegetali in coltura ed
applicazioni in campo industriale. Meccanismi di
definizione del piano di organizzazione della pianta.
Modulazione dello sviluppo post-embrionale in fusto,
radice, foglia e fiore. La riprogrammazione ed in
transdifferenziamento. Tessuti multifunzionali nei diversi
organi della pianta. Propagazione clonale e
canalizzazione verso la realizzazione di programmi di
sviluppo tissutali ed organotipici specifici mediante
applicazione di tecniche di coltura in vitro.
Lo sviluppo di un organismo, vegetale o animale, a
partire da una cellula uovo fecondata, richiede il
coordinamento della proliferazione cellulare che si
realizza mediante un preciso controllo del destino
cellulare.
Lo sviluppo necessita di divisione, crescita, e
differenziamento e, occasionalmente, di morte
cellulare.
Tutti questi eventi devono avvenire al momento e al
posto giusto.
Ogni cellula ha origine dalla divisione di una cellula
madre (omnis cellula e cellula), va poi incontro ad
una breve fase di crescita e può dividersi di
nuovo per dare origine a cellule figlie.
Nei vegetali alcune cellule possono dividersi per
tempi molto lunghi, CELLULE MERISTEMATICHE,
altre perdono la capacità di dividersi e vanno
incontro ad una crescita diversificata.
Questa determina il loro DIFFERENZIAMENTO
MERISTEMI
Le piante superiori presentano, per tutta la vita, cellule altamente differenziate e
gruppi di cellule che conservano la capacità a dividersi
(MERISTEMI).
L’esistenza dei meristemi che aggiungono alla pianta, continuamente e per tutta la
vita, nuove cellule, è una delle principali differenze strutturali fra
piante ed animali.
Dopo la germinazione del seme, i meristemi apicali producono cellule che
differenziano le radici, il fusto, le foglie ed i fiori della pianta adulta.
Ogni organismo ha un determinato ciclo vitale, cioè
nasce, cresce e muore.
Analogamente, anche le singole cellule, che compongono
un organismo, hanno un preciso ciclo vitale, CICLO
CELLULARE. Le cellule differenziate NON manterranno
attivo il ciclo cellulare.
Il processo differenziativo comporta profonde
modificazioni nella struttura delle cellule e le
porta ad assumere specifici compiti funzionali.
Ad esempio, le cellule di una foglia cessano di
dividersi quando la foglia è poco più lunga di
qualche mm, successivamente si ingrandiscono per
distensione (in questo modo le foglie si
espandono) e differenziano per poter svolgere
ciascuna
la
propria
funzione
all’interno
dell’organo.
Il numero di tipi cellulari che compongono un
individuo varia enormemente, si va da organismi
pluricellulari poco complessi in cui si riconoscono
pochi tipi cellulari diversi, per forma e funzione,
ad organismi in cui in un solo organo sono presenti
molti tipi cellulari, organizzati in complessi
sovracellulari, detti tessuti.
Quindi il differenziamento cellulare è l’insieme dei
processi che porta alla formazione di tipi cellulari
diversificati all’interno di un unico organismo.
Il
differenziamento
è
DETERMINAZIONE cellulare.
preceduto
dalla
• La Determinazione si stabilisce quando cellule appena
divise
intraprendono
un
definito
programma
differenziativo (queste sono le cellule derivate).
• Il
Differenziamento
comporta
l’acquisizione
specifiche caratteristiche morfo-funzionali.
Cioè per determinazione si intendono quei processi
mediante i quali cellule ancora meristematiche, e
potenzialmente in grado di dare origine a tutti i
possibili tipi cellulari, intraprendono un definito
programma differenziativo
di
La diversità cellulare può riguardare:
la forma
la relativa proporzione nucleo/citoplasma
la natura e/o la quantità degli organuli
le inclusioni cellulari
la struttura e/o la composizione delle pareti
cellulari
attività funzionale, metabolismo
Tutte
le
cellule
che
vanno
incontro
al
differenziamento andranno a far parte di tessuti
diversamente
specializzati
e
presenteranno
peculiarità nel metabolismo.
Tuttavia
Hanno gli stessi geni, cioè mantengono l’intera
informazione genica.
Quindi il differenziamento è il risultato di una
precisa regolazione genica differenziale.
Ciò è dovuto all’attività selettiva di alcuni geni in
precisi momenti della vita dell’organismo, mentre
altri rimangono silenti.
Il meccanismo molecolare alla base del
differenziamento è l’espressione differenziale di
gruppi di geni.
Che cosa può determinare un particolare modello
dell’espressione genica?
1. Azione di proteine regolatrici e cambiamenti
nella struttura della cromatina
Meccanismi genetici alla base del differenziamento
cellulare:
Endoreduplicazione cromosomica (raddoppiamento
del materiale genetico del nucleo non seguito da
citodieresi)
A seguire:
Amplificazione genica mirata.
La maggior parte delle cellule vegetali quando
iniziano a differenziare entrano nella fase S del
ciclo cellulare e replicano il loro DNA.
Può esserci un solo ciclo di replicazione oppure
possono avvenire più cicli di replicazione, prima della
citodieresi, e in quest’ultimo caso il risultato è un
elevato contenuto di DNA con conseguente
formazione di nuclei molto grossi.
Questo processo è l’endoreduplicazione cromosomica.
È stato stimato che l’endoreduplicazione avviene
in circa l’80% delle cellule in differenziamento
e molto spesso ha luogo nelle cellule di tessuti
con un metabolismo molto attivo e veloce.
Perchè?
In
queste
cellule
sembra
non
essere
sufficiente il normale contenuto genico per
produrre rapidamente RNA messaggero e quindi
proteine, così diventa necessario aumentare il
contenuto di DNA presente.
L’amplificazione genica ha luogo quando solo alcuni
geni vengono replicati o vengono replicati più volte
rispetto ad altri. Questo riguarda i geni che si
attivano durante i processi metabolici specializzati
di alcuni tessuti.
Ad es. durante lo sviluppo di alcuni semi sono
necessarie grandi quantità di mRNA che codificano
per
proteine
di
riserva,
in
questo
caso
l’amplificazione genica riguarda solo questi geni ed
avviene nei tessuti che sintetizzano queste proteine
di riserva.
Quindi ...
il differenziamento cellulare è determinato da
tutte
quelle
modificazioni,
inizialmente
quantitative,
ma
soprattutto,
e
successivamente, qualitative che portano a
cambiamenti nel fenotipo cellulare, queste
sono regolate dall’espressione genica
e
determinano
la
specifica
competenza
funzionale della cellula adulta.
La competenza sarà condivisa con altre cellule
per comunicazione intercellulare mediante
plasmodesmi e si tradurrà nella funzionalità
specifica del tessuto.
Dopo il differenziamento, una cellula può vivere per
molti anni, oppure, in alcuni casi, può essere
destinata a morire e la sua morte permette lo
svolgimento della propria funzione, es. trachee e
tracheidi.
Le cellule differenziate che non muoiono possono, in
alcune
condizioni,
tornare
a
dividersi,
DEDIFFERENZIARE, cioè possono produrre nuove
cellule che a loro volta potranno differenziarsi anche
in
modo
diverso
dalla
cellula
madre
(transdifferenziamento).
Questa sorprendente capacità delle cellule vegetali si
definisce come
PLURIPOTENZA
La multipotenza è alla base della capacità di
riprodursi per via vegetativa che è comune a tutte
le piante.
Il Seme e
l’embrione: l’origine
del differenziamento
della pianta
Le Spermatofite (piante a seme), Gimnosperme
ed Angiosperme, hanno sviluppato una strategia
per la disseminazione della specie basata sulla
produzione di semi contenenti embrioni. Queste
strutture, dopo il rilascio dalla pianta madre,
possono sopravvivere per tempi più o meno lunghi,
anche in condizioni ambientali sfavorevoli, prima
di germinare e dare origine ad un nuovo
individuo.
Perianzio
Il seme si sviluppa da un ovulo (dopo la
fecondazione) ed a maturità è formato da:
tegumenti di rivestimento o protezione, i
tegumenti del seme o TESTA; un tessuto con
funzioni nutritive l’ENDOSPERMA (secondario
nelle piante a fiore, primario nelle gimnosperme)
e dal giovane sporofito parzialmente
sviluppato, l’EMBRIONE.
Macrosporogenesi e Macrogametogenesi
Megagametofito
Megasporogenesi
Megaspora
Nucella
o
megasporangio entro
l’ovulo
Nell’ovulo, in particolare nel tessuto nucellare (racchiuso
all’interno
di
tegumenti)
si
differenzia
molto
precocemente un singolo megasporocito diploide. Questo
si divide meioticamente e produce 4 megaspore aploidi.
FINE MEGASPOROGENESI.
Tre delle 4 megaspore degenerano e la più lontana dal micropilo si trasforma
in megagametofito
MEGAGAMETOGENESI
MEGAGAMETOFITO
La megaspora inizia ad ingrandirsi a spese della nucella
ed il suo nucleo si divide per mitosi, i 2 nuclei si
dividono ancora (4 nuclei), questi subiscono un’ulteriore
divisione mitotica. Dopo 3 mitosi si ha una cellula con
8 nuclei. I nuclei si dispongono in due gruppi di 4
cellule. I 2 gruppi si localizzano uno all’estremità
micropilare e l’altro all’estremità opposta (calazale).
Da ognuno di questi gruppi di nuclei un nucleo migra
verso il centro della cellula. I 2 nuclei centrali sono i
nuclei polari. I 3 nuclei rimasti al polo micropilare
organizzano l’apparato dell’oosfera, cioè la cellula uovo
e due cellule sinergidi. I 3 nuclei al polo opposto
formano le cellule antipodali.
I 2 nuclei centrali
rimangono entrambi all’interno della cellula centrale.
Gli ovuli sono contenuti nell’ovario e diventano semi dopo la
fecondazione
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia
dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
Cellula
madre delle
macrospore
Tegumenti
dell’ovulo
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo
delle Piante, ed. EdiSES
microsporogenesi/microgametogenesi
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia
macrosporogenesi/macrogametogenesi
dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
Il polline arriva sullo stigma di un fiore,
dove
avviene
il
riconoscimento,
aderisce alla superficie stigmatica
recettiva, il polline riassume acqua dallo
stigma stesso (reidratazione) riattiva il
metabolismo e germina producendo il
tubetto pollinico, questo ha il compito
di veicolare i microgameti fino al sacco
embrionale.
Lo stigma oltre all’acqua fornisce al
granulo pollinico elementi inorganici
necessari
per
la
germinazione,
essenzialmente calcio e boro.
Nell’ovulo si forma il sacco embrionale con
all’interno la cellula uovo o gamete
femminile. Quando arriva il tubetto
pollinico avviene la fecondazione, cioè un
gamete maschile portato dal tubetto si
fonde con la cellula uovo dando la prima
cellula dell’embrione.
Cellula uovo
Le due cellule sinergidi
sono importanti per
attrarre il tubetto
pollinico
Nelle Angiosperme anche i
due nuclei centrali del
sacco embrionale vengono
fecondati da un gamete
maschile e danno origine
all’endosperma
secondario
albume
Se entrambe le cellule sinergidi vengono eliminate il tubetto
pollinico non riesce ad entrare nel sacco embrionale
Dal Libro di testo:
Elementi di
Biologia dello
Sviluppo delle
Piante, ed. EdiSES
o
• Dall’embrione del seme, alla plantula, alla
pianta
Plantula
wt
Foglie giovanili
Foglie mature
Lo sviluppo di un organismo, vegetale o animale, a
partire da una cellula uovo fecondata, richiede il
coordinamento della proliferazione cellulare che si
realizza mediante un preciso controllo del destino
cellulare.
Lo sviluppo necessita di divisione, crescita, e
differenziamento e, occasionalmente, di morte
cellulare.
Tutti questi eventi devono avvenire al momento e al
posto giusto.
Tutte
le
cellule
che
vanno
incontro
al
differenziamento andranno a far parte di tessuti
diversamente
specializzati
e
presenteranno
peculiarità nel metabolismo.
Tuttavia
Hanno gli stessi geni, cioè mantengono l’intera
informazione genica.
Quindi il differenziamento è il risultato di una
precisa regolazione genica differenziale.
Ciò è dovuto all’attività selettiva di alcuni geni in
precisi momenti della vita dell’organismo, mentre
altri rimangono silenti.
Come si stabilizza il destino
cellulare e, in conseguenza,
l’identità degli organi?
• Sia nelle piante che negli animali questo avviene
attraverso il mantenimento dell’espressione o la
repressione dell’espressione di specifici FATTORI DI
TRASCRIZIONE (FT, proteine con funzione regolatrice
che coinvolte nel processo di trascrizione)
• Differenze fra piante ed animali esistono
però nel tempo di stabilità del destino
cellulare
In Drosophila lo sviluppo lungo l’asse
antero-posteriore dell’embrione è
controllato dai geni HOX (fattori di
trascrizione ad omeodominio)
• Omeodominio: regione di legame al DNA
con motivo elica-ansa-elica, codificata da
una regione di circa 180 coppie di basi,
detta OMEOBOX
Mutazioni nei geni HOX
causano cambiamenti
omeotici nell’identità degli
organi
Il gene HOX
ANTENNAPEDIA
causa la
trasformazione
omeotica delle
antenne in zampe
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle
Piante, ed. EdiSES
Esiste un esempio parallelo nel
FIORE
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed.
EdiSES
La maggior parte delle informazioni acquisite sullo
sviluppo fiorale sono state ottenute in Arabidopsis e
tramite analisi dei mutanti omeotici fiorali.
Le mutazioni omeotiche determinano nel fiore la
formazione di organi normali in posizione sbagliata.
Es. di mutanti omeotici sono le varietà di rose
coltivate (elevato numero di petali, che in effetti
sono stami modificati), la rosa canina ha solo 5
petali.
Lo studio di questi mutanti omeotici ha
permesso di identificare classi di geni (FT) che
controllano l’organizzazione e lo sviluppo dei
verticilli fiorali, la loro regolare espressione
porta al normale sviluppo del fiore
Il modello ABC prevede
che
i
sepali
siano
determinati
dall’attività
dei geni di classe A (AP1
e AP2), i petali dai geni A
e B (AP3), gli stami dai
geni B e C (AG) e i
carpelli dai geni C.
Sono tutti FT, la
maggior
parte
con
dominio
MADS
(MADS-box a 58 aa
in grado di legare il
DNA)
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
v. Lezione sul
fiore
Le proteine regolatrici del
gruppo Polycomb
reprimono la trascrizione dei
geni HOX
Chi reprime Agamous nei
verticilli esterni del fiore,
cioè sepali e petali?
Lo reprime la
proteina CURLY
LEAF , omologa
ad un membro
Polycomb
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed.
EdiSES
1°: La stabilizzazione del destino cellulare, e
di conseguenza l’identità degli organi, viene
stabilita similmente in piante e animali, cioè
attraverso il mantenimento dell’espressione
o la repressione dell’espressione di specifici
fattori di trascrizione.
– Esistono differenze nel tempo di
stabilità del destino cellulare
L’identità delle cellule dell’antenna di Drosophyla
viene mantenuta in coltura in vitro per
parecchie generazioni
• Le cellule vegetali cambiano destino se
vengono isolate dal contesto tissutale
originario (coltura in vitro) o se la loro
posizione in planta viene alterata, quindi ?
Le cellule vegetali sono PLASTICHE :il
programma genico trascrizionale può
essere superato da variazioni
nell’informazione extracellulare
Se una cellula vegetale si trova ad occupare un posto
diverso da quello che normalmente occupa è quasi
sempre in grado di acquisire l’identità appropriata alla
sua nuova posizione.
Da ciò emerge l’importanza dell’effetto posizionale
nella determinazione del destino di una cellula
vegetale.
Ad esempio, è stato dimostrato che cellule iniziali
del meristema caulinare sono tali perché occupano la
posizione centrale dell’apice, se spostate rispetto a
questa posizione possono assumere un’identità
diversa.
Questo dimostra che le piante rispetto agli animali
hanno un qualche cosa in più che permette loro di
controllare il destino cellulare con la posizione. Le
cellule vegetali, quindi, possono rispondere a segnali
posizionali che provengono dalle cellule vicine,
INFORMAZIONI
POSIZIONALI.
Queste
informazioni sono parte integrante dei meccanismi
di
differenziamento
dei
tessuti
e
del
transdifferenziamento.
L’informazione posizionale implica sia messaggi a
breve distanza cioè da cellula a cellula, ad esempio
attraverso i plasmodesmi, sia segnalazioni a lunga
distanza.
La radice
Dal Libro di testo: Elementi di
Biologia dello Sviluppo delle Piante,
ed. EdiSES
Le cellule del centro quiescente producono segnali
che dirigono il comportamento delle iniziali
circostanti e formano con le iniziali circostanti la
NICCHIA STAMINALE
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
Gli effetti dell’ablazione laser sulle cellule del
centro quiescente dimostrano come possa
essere acquisita una nuova identità cellulare
Le cellule procambiali
assumono per
transdifferenziamento
posizione e funzione di
cellule del centro
quiescente (v. Lezione
sulla radice)
Dal Libro di testo: Elementi di
Biologia dello Sviluppo delle Piante,
ed. EdiSES
Informazione Posizionale
Il destino dello sviluppo di una cellula non è tanto
determinato dalla sua appartenenza ad una linea
derivata dalla divisione di una particolare cellula
meristematica (lignaggio, in gran parte di derivazione
embrionale), quanto dalla sua posizione finale in un
organo in formazione, determinante per il tipo
cellulare in cui si differenzierà.
Allora? Nella pianta, l’origine
cellulare non è poi così
importante!!!!!
• La cellula vegetale esprime il destino
appropriato alla sua nuova posizione, e
l’espressione genica relativa, nel caso
precedente, ad es., il gene specifico delle
cellule CQ: WUSCHELHOMEOBOX5
(WOX5)
Meccanismi molecolari attraverso i quali è possibile
determinare il destino cellulare e quindi creare un
pattern di sviluppo specifico:
Divisione cellulare simmetrica o asimmetrica
Comunicazione cellulare
Morte cellulare programmata
La segnalazione a lunga distanza è da attribuire ai
gradienti di concentrazione di particolari molecole,
dette genericamente morfogeni, che vengono a
crearsi durante le diverse fasi del differenziamento
tissutale.
Che cos’è un morfogeno?
Una molecola in grado di attivare i processi di
morfogenesi, cioè di indurre o controllare lo
sviluppo di organi e tessuti.
Il morfogeno fornisce a popolazioni di cellule,
inizialmente omogenee, informazioni relative alla
loro posizione rendendole competenti per il
differenziamento.
Questi meccanismi di segnalazione intercellulare
sono simili negli animali e nei vegetali anche se
le molecole in gioco sono diverse.
Un’interessante similitudine è rappresentata dal
differenziamento delle setole negli insetti e dal
differenziamento dei tricomi fogliari delle piante.
Entrambi gli eventi avvengono a carico del tessuto
epidermico. La cellula riceve un segnale che la
induce a modificare la propria morfologia e
funzione e al tempo stesso inibisce le cellule vicine
dal fare la stessa cosa.
Negli animali un morfogeno è una sostanza
coinvolta direttamente, concentrazione dipendente,
nello sviluppo, con funzione di istruzione per le
cellule sensibili.
Es. la proteina ACTIVINA responsabile dei
diversi destini cellulari nello sviluppo di
Xenopus. Oppure la famiglia WINGLESS,
proteine
segnale
che
in
Xenopus
sono
responsabili della specificazione dell’asse dorsoventrale.
Auxina come morfogeno nelle piante: evidenze
L’auxina può indurre la formazione di embrioni
somatici
L’auxina nell’embrione in sviluppo mostra gradienti di
concentrazione
Proteine di trasporto nell’embrione mostrano una
localizzazione asimmetrica
La proliferazione cellulare, nelle piante, durante lo
sviluppo post-embrionale ha luogo solo in determinate
aree della pianta e precisamente solo negli apici
meristematici del germoglio, apice caulinare, delle
radici (apice radicale) e in poche altre regioni della
pianta (meristemi laterali o secondari) (v. Anche la
lezione sui Meristemi).
Conseguenza di ciò è che la posizione delle cellule
derivate dalle meristematiche dipende dall’età. Quindi
l’età media delle cellule del fusto o delle radici
aumenta all’aumentare della distanza dall’apice.
Quindi, la posizione di una cellula, e di conseguenza il
suo destino, è anche influenzata dalla sua età.
Un esempio di come l’età possa condizionare il destino
cellulare e quindi il suo differenziamento è senza dubbio
rappresentato dall’eterofillia presente in diverse piante.
Nella pianta di Arabidopsis le foglie delle giovani piante
(foglie giovanili) sono piccole e circolari ed i tricomi sono
presenti solo sulla superficie superiore, diversamente le
foglie della pianta adulta (foglie mature) sono più grandi
ed ovali ed hanno i peli su entrambe le superfici.
Foglie giovanili
Foglie mature
È stato dimostrato che la morfologia fogliare in
Arabidopsis è influenzata dal tempo trascorso
dalla germinazione, cioè dall’età, e non dalla
posizione della foglia sullo scapo fiorale.
Mutazioni che comportano il cambiamento del
destino cellulare in funzione del tempo sono dette
ETEROCRONICHE.
Sono invece OMEOTICHE quelle che modificano il
destino cellulare in funzione della posizione della
cellula nell’organo o tessuto.
Es. di mutazione omeotica ed eterocronica
contemporaneamente si osservano quando in un
fiore al posto dei sepali si formano i petali.
Perché? Il differenziamento dei verticilli fiorali è
spazialmente e temporalmente ben definito. Sepali,
petali, stami e carpelli.
Anche l’apporto di nutrienti e ormoni (es. l’auxina)
può condizione il destino cellulare.
Ad esempio i giovani primordi di una felce,
allevati in vitro in presenza di alte concentrazioni
di saccarosio formano “foglie” pennate, morfologia
tipica delle foglie mature.
Età cellulare, posizione della cellula, disponibilità
di nutrienti e fitormoni, condizioni ambientali
compreso il fotoperiodo sono tutti fattori esogeni
che controllano il differenziamento di una cellula.
Tuttavia
una
grossa
importanza
nella
determinazione del destino cellulare va attribuita
all’informazione intrinseca, cioè quelle informazioni
genetiche che una cellula figlia eredita dalla cellula
madre.
Quindi nella determinazione del destino cellulare
intervengono meccanismi integrati fra fattori
estrinseci ed intrinseci.
Quali sono le principali differenze nello
sviluppo di piante ed animali?
1) L’embrione animale una volta completato lo sviluppo è
un individuo adulto miniaturizzato, l’embrione vegetale
invece ha un’organizzazione molto più semplice rispetto
alla pianta adulta.
Gli organi ed i tessuti tipici della pianta adulta vengono
differenziati durante lo sviluppo post-embrionale ad
opera dell’attività di particolari popolazioni cellulari, i
MERISTEMI, che garantiranno una crescita per moduli.
2) La pianta è un organismo a crescita indeterminata.
Cioè forma continuamente nuovi organi e tessuti. La
crescita indeterminata è resa possibile dall’attività dei
meristemi, apicali e laterali.
Come conseguenza una pianta adulta è formata da
cellule completamente differenziate (mature) e da
cellule
indifferenziate
(giovanili).
La
continua
giovanilità rende possibile l’integrazione fra le
informazioni
endogene
e
quelle
provenienti
dall’ambiente esterno in modo da poter modulare la
forma della pianta durante tutta la vita.
Tuttavia molti organi, es. foglie e fiori, hanno una
crescita determinata, cioè raggiunta la forma
definitiva hanno tutte cellule differenziate, non sono
più presenti cellule meristematiche.
Domande:
• Cos’è il differenziamento?
• Che relazione c’è fra la regolazione genica ed il
differenziamento?
• Quali sono i meccanismi genici alla base del
differenziamento cellulare?
• L’endoreduplicazione ha un ruolo nel differenziamento?
• La competenza per un dato differenziamento è propria di
cellule singole o condivisa per gruppi cellulari?
• Cos’è il destino cellulare?
• Cos’è l’effetto posizione?
• L’età influenza il destino cellulare?
FECONDAZIONE
Il granulo pollinico germina, il tubetto si allunga,
attraversa lo stilo arriva fino all’ovulo tramite il
micropilo. Raggiunge il gametofito femminile e
rilascia le due cellule spermatiche. Una raggiunge
la cellula uovo e il suo nucleo si fonde con il
nucleo dell’ovocellula e forma così il nucleo diploide
dello
ZIGOTE.
Il secondo nucleo spermatico nelle Angiosperme
raggiunge la cellula centrale e si fonde con entrambi
i nuclei formando una cellula triploide
che
differenzierà il tessuto triploide dell’ENDOSPERMA
SECONDARIO.
fecondazione.
Processo
della
doppia
L’endosperma inizia a proliferare. Lo zigote inizia ad
accrescersi mediante divisioni nucleari mitotiche seguite
da divisioni cellulari. Lo zigote si sviluppa in
EMBRIONE. L’embrione non ha mai uno stadio
cenocitico.
A questo stadio “l’ovulo” si trasforma in SEME
e
l’ovario, in alcuni casi, con altri tessuti del fiore o
dell’infiorescenza si sviluppa in FRUTTO.
Embrione di
monocotiledone
Embrione di
dicotiledone
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello
Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
Ruoli della TESTA (tegumento esterno
dell’ovulo dopo la sua trasformazione
in seme)
La testa si oppone alla germinazione
determinando impermeabilità all’acqua e/o all’ossigeno
resistendo meccanicamente alla protrusione della radichetta
dispersione
protezione dell’embrione contro le avverse condizioni ambientali
a seconda della specie la dormienza può essere imposta dalla testa,
dall’endosperma o da una loro combinazione.
In Arabidpsis thaliana è stato dimostrato che la testa controlla
la germinazione attraverso l’imposizione della dormienza, però
l’interazione embrione/testa non è ancora chiara.
L’accrescimento dell’embrione e la deposizione delle riserve si
arrestano quando il seme comincia a seccare.
Disidratazione del seme:
nell’ovulo (80-90% di acqua)
nel seme secco (5-15% di acqua)
Quiescenza: embrione a riposo, enzimi inattivi, sintesi proteica
inattivata respirazione molto bassa.
Quando dura? Da poche settimane a migliaia di anni!!
In una leguminosa – specie di lupino artico – il periodo della
quiescenza è stimato in circa 1500 anni!!
Il successo del seme è dovuto a:
Presenza di sostanze nutritive sufficienti a sostenere
la crescita dell’embrione fino a renderlo pianta
autosufficiente;
Metabolismo estremamente ridotto, per far si che le
sostanze
di
riserva
non
vengano
consumate
nell’intervallo di tempo fra il distacco del seme dalla
pianta madre e la germinazione;
Capacità di resistere senza riportare danni a
situazioni ambientali avverse e potenzialmente dannose
prima della germinazione;
Meccanismi di percezione e valutazione dei vari
parametri ambientali e capacità di reazione a quelli
favorevoli con la ripresa della crescita e sviluppo.
FASI DI SVILUPPO DEL SEME
Embriogenesi vera e propria, fase di
divisioni cellulari dello zigote che si
conclude con la formazione dell’embrione,
in questa fase aumenta il contenuto di
acqua e di sostanze organiche.
accumulo di riserve, non si verificano
divisioni cellulari, ma le cellule subiscono
un forte aumento di volume; fase di
maturazione.
Fase di disidratazione, caratterizzata da
una forte perdita di acqua; fase di
disidratazione.
L’embrione è il giovane sporofito (la
nuova pianta)
L’embrione è un complesso multicellulare
che deriva dallo zigote, che nelle prime fasi di
sviluppo è contenuto all’interno di un tessuto
parentale
e
che
dipende
nutrizionalmente
dall’organismo parentale.
Nell’embrione
viene
definito
il
organizzazione complessiva del corpo.
piano
di
Durante l’embriogenesi si formano i cotiledoni
(foglie embrionali, modificate che in molti casi
devono sostenere le prime fasi di sviluppo della
pianta), si definisce l’apice del germoglio e l’apice
radicale,
nonché
i
sistemi
tissutali
che
caratterizzeranno il corpo primario della pianta.
Negli animali durante l’embriogenesi vengono definiti
gli assi di polarità (asse cefalo-caudale, asse dorsoventrale e asse destra-sinistra) che rappresentano
le caratteristiche basilari del piano del corpo, e
vengono organizzati tutti o la maggior parte degli
organi e sistemi di organi.
Anche nei vegetali, durante l’embriogenesi, si
definisce il piano basilare di crescita della pianta,
con l’abbozzo solo di alcuni organi della crescita
vegetativa e la definizione solo di alcuni sistemi
tissutali, gli altri organi e sistemi tissutali si
formano solo durante la crescita della pianta (fase
post-embrionale).
Dal punto di vista morfologico la struttura dell’embrione può
essere considerata come il risultato della sovrapposizione di
due modelli di sviluppo (pattern), uno lungo l’asse
longitudinale (apicale-basale, pattern longitudinale) e l’altro
lungo l’asse radiale (pattern radiale).
Il pattern radiale è
costituito da tessuti
(quelli della crescita
primaria) e non da
organi.
Dal Libro di testo:
Elementi di Biologia
dello Sviluppo delle
Piante, ed. EdiSES
La cellula uovo non fecondata, nella maggior parte
delle specie, è già fortemente polarizzata, con un
nucleo di grosse dimensioni e nucleoli evidenti,
generalmente localizzato all’estremità calazale e la
restante parte della cellula occupata da un grosso
vacuolo, alternativamente il vacuolo può essere
centrale e circondato da vacuoli più piccoli.
Avvenuta la fecondazione, lo zigote si
allunga ulteriormente lungo l’asse
micropilo-calazale.
zigote
Le fasi precoci dell’embriogenesi
definiscono quindi il piano generale
dell’organizzazione della pianta.
Stadi di sviluppo embrionale
-
Proembrione (bicellulare)
-
Stadio
globulare
(sferico)
(divisioni
cellula
apicale
dello
zigote
asimmetrico)
-
Stadio cordato o stadio di cuore (cotiledoni, simmetria bilaterale)
-
Stadio a torpedine(espansione delle cellule, sviluppo dei cotiledoni)
-
Stadio cotiledonare o di maturazione (perdita di acqua, tolleranza alla
disidratazione)
- Nello stadio cordato, l’embrione acquista la forma
allungata che la pianta conserverà per tutta la vita.
Nello stadio a torpedine si evidenziano i due poli opposti di sviluppo
(apice del germoglio ed apice radicale).
La prima divisione nucleare dello zigote è quasi sempre
TRASVERSALE ed asimmetrica e genera una piccola
cellula apicale ed una più grossa cellula basale. La cellula
apicale darà origine alla maggior parte dell’embrione vero
e proprio, la cellula basale darà origine al sospensore,
ed all’ipofisi.
In altre specie, tuttavia, il destino di queste
può essere molto diverso.
due cellule
Tuttavia una divisione asimmetrica non fissa
irreversibilmente il destino cellulare. Ci sono
mutanti di Arabidopsis thaliana che formano
embrioni secondari dalle cellule derivate da quella
basale.
La polarità assiale: dallo zigote al
proembrione bicellulare
Lo zigote si espande e diventa polarizzato. La
parte apicale è con citoplasma denso
La parte basale contiene il vacuolo centrale
Prima divisione: asimmetrica
perpendicolarmente
all’asse principale dello zigote
Cellula apicale: forma tutte le strutture
dell’embrione;
Cellula basale: divisioni orizzontali;
perpendicolari all’asse principale; si forma un
filamento da 6 a 9 cellule (sospensore:
extraembrionale). La prima di queste cellule
formerà invece l’ipofisi che è parte dell’embrione.
Il sospensore connette l’embrione al sistema
vascolare della pianta madre
SOSPENSORE
Struttura alla base dell’embrione che spinge l’embrione
stesso nel tessuto ricco di sostanze di riserva.
La cellula basale derivata dalla prima divisione dello
zigote si divide ancora trasversalmente formando una
fila di 7-9 cellule.
La cellula apicale subisce due divisioni longitudinali
rispetto all’asse micropilo-calazale dell’ovulo dando
origine ad un embrione a 4 cellule allungate.
Le 4 cellule si dividono trasversalmente
originando un embrione ad 8 cellule
chiamato ottante.
Le cellule dell’ottante si dividono tutte
secondo un piano parallelo alla superficie
dell’embrione (divisioni pericline) dando origine
a 8 cellule più esterne ed una massa (8
cellule) interna.
Questa divisione è molto importante perchè
determina la formazione del primo tessuto
meristematico, il protoderma.
Le
successive
divisioni,
quasi
tutte
perpendicolari alla superficie dell’embrione
(anticline) generano l’embrione globulare.
A questa fase di sviluppo inizia a definirsi il pattern radiale.
Stadi di sviluppo precoci dell’embrione di arabidopsis
protoderma
4cell
8cell
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello
Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
embrione
globulare
Enzimi sintetizzati a livello della parete probabilmente sono
coinvolti nel rilascio di molecole attive nello sviluppo.
Dato che le cellule figlie ereditano parte della parete della
cellula madre è stato ipotizzato che la composizione della parete
possa
essere
implicata
nell’informazione
ereditata
per
discendenza.
Alcuni componenti di parete possono essere
marcatori di polarità e partecipare ad elaborare e
mantenere la polarità dell’embrione.
Il gene Lipid Transfer Protein 1 di Arabidopsis (AtLTP1) si
esprime nel protoderma fin dallo stadio globulare, nelle fasi
di sviluppo successive, l’espressione di questo gene si
ristringe a delimitare la regione embrionale che darà
origine agli organi aerei (cotiledoni e ipocotile). Il gene
AtLTP1
codifica per una proteina coinvolta nella
formazione della cuticola (componente della parete delle
cellule epidermiche che le rende idrofobe) necessaria
all’epidermide degli organi aerei ma che sarebbe dannosa
nell’epidermide radicale.
Dal Libro di testo: Elementi di
Biologia dello Sviluppo delle
Piante, ed. EdiSES
Pattern radiale
(definizione dei tessuti del corpo primario)
La polarità radiale porta alla definizione di:
Protoderma
(epidermide)
Meristema fondamentale (cortex, endodermide)
Procambio (tessuti vascolari, periciclo)
Formazione del pattern radiale:
Tessuti differenti sono organizzati secondo un pattern riconoscibile
in un organo a struttura primaria
Pattern radiale dall’esterno verso il centro
Radici:
Epidermide
Cortex ed endodermide
Cilindro vascolare (periciclo, floema, xilema)
Fusti:
Protoderma
(epidermide)
Meristema fondamentale
(cortex, endodermide)
Procambio
(tessuto vascolare primario, cambio vascolare)
Il pattern radiale si definisce completamente durante lo stadio
globulare (circa 64 cellule), divengono riconoscibili, oltre al
protoderma, anche il meristema fondamentale e, più
internamente, il procambio.
Successivamente nella regione apicale dell’embrione emergono gli
abbozzi dei due cotiledoni e l’embrione assume una simmetria
bilaterale.
L’embrione
si
longitudinale.
allunga
definendo
completamente
l’asse
Durante lo stadio a cuore diventa distinguibile l’ipocotile o asse
embrionale.
Anche ll meristema radicale si forma durante lo stadio a cuore
mediante divisioni a carico della cellula basale embrionale e
dell’ipofisi.
La polarità assiale diventa ben evidente nello stadio a cuore
Tre regioni assiali:
Regione apicale: forma i cotiledoni e il meristema apicale
Regione mediana: forma l’ipocotile, la radice e la maggior parte del meristema
radicale
L’ipofisi: forma il resto del meristema radicale
Meccanismi di signalling posizionale guidano l’embriogenesi
Negli animali esiste un pattern riproducibile di divisioni cellulari con programma
di divisioni fisso per ogni cellula.
Nelle piante
Il destino differenziativo della cellula è determinato dalla sua
posizione nell’embrione
Meccanismo di signalling posizionale (plasmodesmi, morfogeni)
MORFOGENI
Negli animali segnali chimici svolgono un ruolo determinante
durante l’embriogenesi
MORFOGENI
Informazione posizionale mediante gradienti di concentrazione
Nelle piante è L’AUXINA
il principale morfogeno durante l’embriogenesi
Auxine naturali
Trasporto di IAA in relazione alla formazione del
meristema apicale:
Il meristema
apicale del
germoglio si
forma in
una zona di
bassa
concentrazione
di auxina
Nell’embrione vengono
espressi i carriers
PIN1 (PIN3) PIN4 e PIN7
PIN1; PIN4; PIN7; (PIN3)
Espressi con diversa localizzazione in tempi diversi
dello sviluppo dell’embrione.
La sequenza di espressione regolata temporalmente e
spazialmente, è responsabile della variazione nella
direzione del flusso di IAA durante l’embriogenesi.
In stadi precoci il flusso di IAA è verso l’apice, lontano
dal sospensore;
dallo stadio globulare tardivo il flusso è invertito, verso
l’ipofisi e la radice in sviluppo.
PIN7, PIN1 i primi geni PIN espressi nell’embrione.
Allo stadio a cuore segue quello a torpedine, caratterizzato
dall’allungamento dell’asse embrionale e dei cotiledoni.
Durante questo stadio compare il meristema vegetativo
apicale, posizionato fra i due cotiledoni. Subito dopo questo
meristema diventerà evidente come una struttura a forma
di cupola.
Nell’embrione maturo il meristema apicale del germoglio
presenta già due piccoli primordi, i cotiledoni.
In Arabidopsis e nei semi di piccole dimensioni,
successivamente si osserva un ripiegamento dei cotiledoni,
si ha così lo stadio cotiledonare.
Come detto uno degli eventi più importanti dell’embriogenesi
vegetale è la definizione del piano generale di sviluppo, dato
dalla somma del pattern longitudinale e radiale.
Uno degli approcci più utilizzati per comprendere i
meccanismi molecolari alla base di questi processi è l’impiego
di genotipi mutati con alterazioni nello sviluppo embrionale.
In pratica, per identificare i geni coinvolti nei primi eventi
dell’organizzazione
embrionale
sono
stati
eseguiti
esperimenti di mutagenesi (mutagenesi inserzionale e RNA
interference) e selezione di embrioni o plantule (mutante)
con alterazione o perdita del pattern radiale o longitudinale.
Particolarmente interessante è stato lo studio dei
mutanti shoot meristem less (stm) e wuschel (wus)
che mostrano perdita o forte riduzione dell’apice
del germoglio, i mutanti monopteros (mp) e auxin
resistence6 (axr6) che mancano di ipocotile e
radice.
Ancora nei mutanti gnom (gn) e pin-formed1
(pin1) manca completamente la polarità apicalebasale.
Lo studio dei mutanti stm e wus ha permesso di
identificare i geni STM e WUS come
responsabili del differenziamento e del
funzionamento dell’apice caulinare ed ha
stabilito che sono attivi già a livello embrionale.
Infatti:
il gene STM codifica per un fattore di trascrizione che si esprime per
la prima volta nell’embrione allo stadio globulare in una cellula della
zona apicale caulinare e successivamente in un gruppo di cellule posto
tra i due futuri cotiledoni. Anche WUS codifica per un fattore di
trascrizione ed è espresso allo stadio a 16 cellule. Il prodotto di
quest’ultimo gene è comunque successivamente presente in una zona
centrale e più profonda, rispetto a STM, del doma vegetativo.
Tuttavia, va precisato, che questi mutanti identificati e
studiati
durante
lo
sviluppo
embrionale
sono
stati
successivamente considerati mutanti dell’apice vegetativo, la
cui organizzazione incomincia proprio nell’embrione.
Il mutante monopteros ha difficoltà a sviluppare l’asse
longitudinale dell’embrione. Negli embrioni maturi le cellule
anzicchè essere allungate sono isodiametriche, il procambio è
ridotto e le cellule derivate dall’ipofisi si dividono in modo
anomalo.
Dopo la germinazione le plantule mutate possono avere cotiledoni
e apice del germoglio normali, ma questi sono attaccati ad una
struttura conica anzicché all’ipocotile.
Il gene MP codifica per un fattore di trascrizione della
famiglia genica AUXIN RESPONSE FACTORS (ARFs).
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello
Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
Lo studio dei mutanti mp ha suggerito un forte coinvolgimento
dell’auxina nel definire l’asse longitudinale dell’embrione. Come
detto MP codifica per un fattore di trascrizione appartenente
alla famiglia AUXIN RESPONSE FACTOR (ARF). Questi fattori
di trascrizione sono in grado di interagire con piccole sequenze di
DNA dette “elementi che rispondono all’auxina” (AuxRE). Tali
sequenze sono posizionate nel promotore di geni regolati
dall’auxina.
I FT si legano alle sequenze AuxRE e attivano la trascrizione del
gene. Tuttavia, il legame ARF-AuxRE è avviene solo in presenza
di alta concentrazione di auxina.
Quindi geni come MP vengono espressi solo in presenza di
un’adeguata concentrazione di auxina.
Il fenotipo del mutante mp probabilmente è dovuto alla sua
incapacità di attivare i geni bersaglio, anche in presenza di una
idonea concentrazione di auxina, di consequenza le cellule di questi
embrioni non sono in grado di rispondere allo stimolo dell’ormone.
Anche i mutanti gnom non organizzano l’asse longitudinale e la
polarità
dell’embrione.
I
difetti
compaiono
molto
precocemente durante lo sviluppo, già alla prima divisione
dello zigote che non è asimmetrica ma simmetrica, seguono
divisioni cellulari male orientate che portano alla formazione
di embrioni sferici o conici senza veri e propri organi. Lo
sviluppo in plantula può avvenire, ma le plantule sono sferiche,
senza cotiledoni e radice, o presentano forma di cono con
cotiledoni fusi ed un ipocotile di lunghezza variabile e senza
radice.
Anche per questo mutante è stato ipotizzato un difetto nella
percezione e risposta all’auxina.
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello
Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
I geni PIN in Arabidopsis appartengono a una famiglia
multigenica e sembrano essere implicati nel metabolismo e nel
trasporto dell’auxina.
I mutanti pin1 hanno difficoltà ad organizzare il dominio
apicale caulinare possono quindi presentare un numero errato
di cotiledoni (da 1 a 4) e con forme anomale. Più in generale
sembra che i mutanti PIN siano incapaci di stabilire l’esatto
piano di simmetria bilaterale.
Le piante mutate adulte (in fase riproduttiva) sono incapaci
di formare fiori, l’infiorescenza che si organizza cresce
indefinitamente senza produrre fiori.
E’ stato dimostrato che PIN1 (e la sua famiglia PIN2, 3, 4,
5, 6 e 7) codifica per un trasportatore di auxina implicato
nel trasporto polare dell’ormone.
Ciò dimostra che l’auxina controlla l’istaurarsi dei piani di
sviluppo a partire dalle prime fasi di sviluppo embrionale (cioè
l’auxina come morfogeno).
Le proteine PIN sono state localizzate mediante
tecniche di immunofluorescenza (GFP) e risulta che
alcune di esse sono distribuite in modo polare sulla
membrana plasmatica.
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante,
ed. EdiSES
Nelle piante adulte PIN1 è localizzato nell’estremità
basale delle cellule parenchimatiche del tessuto
vascolare, PIN2 è invece presente nelle parte apicale
delle cellule epidermiche e delle cellule della cuffia
radicale e nella regione basale delle cellule corticali.
Per studiare l’effetto dei trasportatori PIN sulla
distribuzione dell’auxina è stato necessario conoscere
la dinamica della distribuzione dell’ormone nelle
cellule di piante wild type.
Come si muove l’auxina nelle cellule può essere
seguito mediante un costrutto artificiale, “sensore”,
che rileva la presenza di auxina.
Il costrutto è formato da un promotore sintetico chiamato
DR5, che è indotto dall’auxina, fuso ad un gene reporter
(uidA o GFP).
In particolare una sequenza del promotore 35S viene fuso
ad una piccola sequenza di mucleotidi (7), quest’ultima
viene attivata solo in presenza di auxina.
Successivamente a questo costrutto (promotore) viene
aggiunto un gene reporter (GFP, GUS..).
Per cui, in organismi trasformati con questo costrutto si
avrà l’espressione del gene reporter solo nelle cellule in
cui è presente auxina.
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
In questo modo embrioni trasformati con il costrutto
DR5::GFP esprimono il gene reporter solo nei tessuti in
cui è presente l’auxina libera.
Con questa tecnica è stato
possibile evidenziare che nelle
primissime fasi di sviluppo
dell’embrione
c’è
già
una
distribuzione
asimmetrica
dell’auxina.
Si è potuto osservare come
varia la distribuzione di questo
ormone nelle successive fasi di
sviluppo dell’embrione.
Dal Libro di testo: Elementi di
Biologia dello Sviluppo delle
Piante, ed. EdiSES
A questo stadio si può osservare come l’auxina si localizzi
nella parte basale dell’embrione, nelle cellule dell’ipofisi e
nella parte alta del sospensore.
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
La distribuzione dell’auxina durante l’embriogenesi ha un ruolo
fondamentale nella definizione degli assi embrionali.
Anche la bilateralità dell’embrione delle piante dicotiledoni è
controllata dalla distribuzione dell’auxina.
Durante il passaggio dallo stadio globulare a quello a cuore è
stato osservato che l’ormone si concentra all’apice degli abbozzi
dei cotiledoni. Questa localizzazione è dovuta all’attività dei geni
PIN.
Mutanti di questi geni presentano un’alterata organizzazione del
piano di simmetria.
Es. i mutanti gnom.
La comparsa dei cotiledoni è preceduta dall’espressione di geni
responsabili della determinazione dei confini degli organi.
L’espressione
globulare.
di
questi
geni
è
evidente
già
nell’embrione
In particolare, nella regione superiore dell’embrione allo stadio
globulare
vengono
attivati
geni
nella
regione
dove
successivamente (stadio a cuore) compariranno i cotiledoni.
Precocemente si definisce un anello periferico nella regione
superiore dell’embrione in cui si esprime AINTEGUMENTA
(ANT). Questo gene codifica per un fattore di trascrizione che
è sempre espresso nelle cellule dei primordi degli organi laterali
del germoglio. Si suppone che ANT regoli l’inizio dello sviluppo
degli organi in quanto responsabile del mantenimento
della competenza meristematica delle cellule. In
particolare controlla la durata del ciclo di divisione.
Successivamente sono altri geni che vengono espressi e che
controllano il destino delle singole cellule in modo da definire
correttamente i domini di ogni organo.
Precoce simmetria bilaterale
ma solo molecolare
Necessari per l’espressione
di STM
CUC – CUP SHAPED COTILEDON
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
L’espressione di CUC e STM in
questa
striscia
centrale
individua
l’esatta
metà
dell’embrione e cioè la regione
centrale fra i due futuri
Quindi l’espressione di CUC 1 e 2 e STM individuano
confine
comparsa.
il
fra i due cotiledoni appena prima della loro
STM ha il compito di mantenere nel tempo la
condizione meristematica delle cellule nella
regione centrale del meristema.
Le proteine PIN sono state localizzate mediante
tecniche di immunofluorescenza (GFP) e risulta che
alcune di esse sono distribuite in modo polare sulla
membrana plasmatica.
Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES
Stadio globulare: Precoce accumulo di auxina dovuto all’espressione del
gene MONOPTEROS (MP). MP promuove l’espressione di PLETORA (PLT)
nella regione basale dell’embrione globulare. Stadio cordato: PLT
promuove l’espressione di SCARECROW (SCR) e SHORTROOT (SHR).
Stadio cotiledonare maturo: l’espressione di PLT, SCR e SHR inducono
le cellule posizionate nella zona più centrale di questa regione a
diventare cellule del CQ, queste mediante segnali a breve raggio
inducono le cellule circostanti a mantenere l’identità delle cellule
staminali.
Il gene HOBBIT può essere considerato un marcatore
precoce del meristema radicale.
I mutanti hbt mostrano difetti nella formazione della
radice embrionale, (non si forma il centro quiescente, la
columella e le cellule laterali della cuffia).
I mutanti hobbit mostrano una riduzione nella
sensibilità all’auxina (IAA) e accumulano la
proteina AXR3/IAA17, repressore della risposta
all’auxina.
Inizialmente tutte le cellule embrionali si
dividono poi la capacità di divisione resta
localizzata nei due gruppi cellulari situati ai poli
opposti dell’embrione.
Come conseguenza di ciò fusto e radice si
allungano in direzione opposta e i relativi gruppi
meristematici si allontanano sempre più perché
vengono separati da una gran massa di cellule
adulte (CRESCITA POLARE DELLA PIANTA).
Dall’embrione alla plantula
Crescita per divisione cellulare;
Crescita per distensione cellulare;
Differenziamento
Il numero delle cellule nei gruppi meristematici apicali opposti non
aumenta nel tempo, perché continuamente un certo numero di
cellule esce dallo stato meristematico ed imbocca la via del
differenziamento che porta alla loro trasformazione in cellule
adulte.
Come avviene questo passaggio?
perdita della capacità di dividersi
notevole aumento dimensionale (crescita per distensione)
accentuarsi dei caratteri propri della cellula vegetale
(Parete, vacuoli, plastidi)
specializzazione per una determinata funzione
La parte dell’embrione che dopo la germinazione del
seme riprende per prima a crescere è la radice.
Successivamente si allunga l’ipocotile
accrescimento per distensione).
(veloce
La luce rallenta l’allungamento dell’ipocotile. Quando
accade ciò i cotiledoni si espandono e si divaricano.
I cotiledoni esposti alla luce inverdiscono e si
vuotano delle riserve, assumendo la funzione
fotosintetica.
L’apice caulinare del germoglio genera l’epicotile
(regione al di sopra dei cotiledoni)
Prime fasi della germinazione
Assorbimento di acqua Riattivazione del metabolismo Ripresa della crescita
La germinazione è una via senza ritorno: nel giro di poco tempo
(ore) si ha un forte assorbimento di acqua, la riattivazione del
metabolismo e la ripresa della crescita dell’embrione.
La quantità di acqua assorbita entro le prime 24-48 ore può
essere superiore al peso secco del seme.
L’assorbimento d’acqua ha luogo per imbibizione (formazione di
ponti idrogeno fra le molecole di acqua ed i gruppi polari delle
sostanze colloidali).
Le riserve del seme che si comportano da sostanze colloidali sono:
le PROTEINE ed in minor misura l’AMIDO.
I GRASSI non contribuiscono al rigonfiamento (idrofobe), però
anche i semi ricchi di grassi si rigonfiano molto perché i grassi in
genere sono accompagnati da abbondanti riserve proteiche.
Entro la prima settimana di germinazione si ha la demolizione
delle riserve.
L’amido viene idrolizzato a glucosio,
le proteine vengono demolite ad aa (proteasi),
i trigliceridi vengono idrolizzati a glicerina ed acidi grassi
(lipasi),
gli acidi grassi vengono trasformati in zuccheri attraverso
una serie di vie metaboliche che comportano la demolizione
ad acetil coenzimaA.
Gli acidi grassi vengono parzialmente utilizzati come fonte di
energia (mitocondri), ma soprattutto trasformati in zuccheri
(glioxisomi) per essere trasportati ed utilizzati come fonte di
carbonio.
Domande
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Cos’è l’embriogenesi zigotica ?
Dove avviene in planta?
Cosa significa crescita continua?
Come viene definito nell’embrione il piano di organizzazione della pianta?
Cosa significano pattern longitudinale e pattern radiale?
Cos’è un divisione asimmetrica? Dove avviene la prima?
Qual è il principale morfogeno nell’embriogenesi delle piante?
Quali fattori di trascrizione hanno un ruolo determinante per l’attività del
morfogeno?
Cosa significa determinazione del confine di un organo e quali geni sono
implicati?
Cosa significa crescita polare dell’ embrione e a cosa è dovuta?
Qual è il ruolo dei geni PIN nella costruzione dell’embrione?
Come, qundo e dove si definiscono le nicchie staminali nell’embrione?
