13 lezione File - e

La transizione fiorale
1
Gli organi aerei della pianta si formano per attività
del meristema apicale del germoglio.
Il passaggio dalla fase vegetativa a quella
riproduttiva
prevede
una
complessa
riprogrammazione del meristema apicale vegetativo.
Il passaggio da meristema vegetativo a fiorale è
sotto stretto controllo di fattori ambientali ed
endogeni.
Ambientali: temperatura e fotoperiodo.
Endogeni: geni ed ormoni.
2
La riprogrammazione del meristema apicale comporta
la
sua
trasformazione
o
in
meristema
dell’infiorescenza, che a sua volta si differenzierà
parzialmente o completamente in meristema fiorale, o
direttamente in meristema fiorale.
Sono stati proposti
basi chimiche e
fioritura.
numerosi modelli per spiegare le
fisiologiche dell’induzione della
3
Alla fine degli anni ’80, è stato supposto che ad un
certo punto dello sviluppo della pianta avvenissero
modificazioni nei flussi di alcuni composti, ad es.
nutrienti, quali il saccarosio, e ioni, in particolare il
Ca2+, verso l’apice vegetativo.
Ciò condizionerebbe positivamente la transizione a fiore
dell’apice vegetativo.
In seguito è stato dimostrato che non avviene solo un
cambiamento nel flusso dei nutrienti ma anche di
ormoni quali auxina e gibberellina.
Sulla base di queste evidenze è stato proposto il
modello multifattoriale, secondo il quale numerosi
fattori controllano e regolano la fioritura. Questi
fattori, nutrienti e fitormoni, possono agire o come
attivatori o come inibitori dell’intero processo.
4
Secondo questo modello la fioritura può avvenire
solo quando fattori limitanti sono presenti
nell’apice vegetativo nelle giuste concentrazioni
ed in particolari momenti, in modo che l’apice
caulinare
vegetativo
possa
acquisire
la
competenza a trasformarsi in apice fiorale o
infiorescenziale.
Analisi genetiche eseguite su varie piante fra cui
Arabidopsis, pisello ed alcune monocotiledoni
hanno
confermato
l’ipotesi
del
modello
multifattoriale. Infatti sono stati individuati geni
che controllano la fioritura, geni promotori e
repressori che lavorano interagendo anche con i
cambiamenti delle condizioni ambientali.
Quindi una fitta rete di segnali interni alla
pianta ed esterni regolano questo processo.
5
In alcune piante sono state individuate 4 vie che controllano
l’induzione fiorale e cioè la via che dipende dal fotoperiodo, quella
che dipende dalla temperatura (vernalizzazione), una via autonoma
caratterizzata dall’attivazione di geni indipendentemente dai
fattori esterni ed un’altra via che è costituita dai geni che
codificano per le proteine implicate nella biosintesi delle
gibberelline.
6
Sincronizzare i tempi della fioritura è particolarmente
importante per le specie dioiche per garantire il
successo riproduttivo.
Gli stimoli esogeni agiscono su fattori endogeni che a
loro volta innescano la trasformazione del meristema
vegetativo del germoglio in meristema fiorale.
7
Lo stimolo ambientale che maggiormente controlla
l’induzione fiorale è la durata del giorno e della
notte, FOTOPERIODO.
Ci sono piante che fioriscono solamente quando la
lunghezza del giorno
supera un certo valore
minimo,
queste
piante
vengono
chiamate
longidiurne (16 ore di luce). Piante brevidiurne
fioriscono quando le ore di luce sono inferiori a 8
(giorno
corto).
Le
piante
neutrodiurne
o
indifferenti fioriscono indipendentemente dalla
lunghezza del giorno.
8
9
Non è solo la durata del giorno e/o della
notte ad influenzare il processo di
fioritura. Ad es. nelle piante brevidiurne
la fioritura può essere bloccata da una
breve illuminazione con luce rossa data a
metà della notte. Questo blocco si
annulla se l’illuminazione con luce rossa è
seguita da un’illuminazione con luce rossa
scura.
L’organo della pianta che riceve lo stimolo
fotoperiodico è la foglia soprattutto le
giovani foglie.
10
Il controllo della fioritura da parte del
fotoperiodo è mediato da fotorecettori
come il fitocromo ed i criptocromi.
Questi fotorecettori percepiscono luce
di diversa lunghezza d’onda. I fitocromi
percepiscono la luce rossa ed i
criptocromi la luce blu.
11
12
13
14
15
16
Altamura MM et al., Elementi di Biologia dello sviluppo delle piante – Edises Editore
17
La qualità e la quantità della
luce
sono
percepite
dai
fotorecettori.
Elaborate
dall’orologio
circadiano
e
tradotte in segnale che attivano
i geni responsabili del controllo
della fioritura.
18
Un altro fattore importante per la
transizione fiorale è la vernalizzazione,
necessaria per indurre molte
piante a
fiorire
La vernalizzazione è l’esposizione della
pianta
per tempi più o meno lunghi a
basse temperature, questo permette, ad
es., ad una pianta di fiorire solo in
primavera cioè dopo aver superato il
freddo invernale, quando le condizioni
ambientali sono più favorevoli alla fase
riproduttiva della pianta.
19
La veralizzazione è un processo quantitativo
perchè maggiore è l’esposizione al freddo più
veloce è la fioritura.
Più di 40 anni fa è stato dimostrato che il sito
della pianta che percepisce il freddo è
meristema caulinare.
Esperimenti che prevedevano il raffreddamento
di vari organi isolati dalla pianta e poi coltivati
in vitro hanno infatti dimostrato che
sottoponendo a vernalizzazione solo l’apice
vegetativo o tutta la pianta si induce la pianta
a fiorire.
20
Diversamente,
sottoponendo
le
radici o le foglie a
periodi di freddo
la pianta non è in
grado di fiorire.
Sorprendentemente
però
piante
rigenerate
da
dischi
fogliari
precedentemente
esposti al freddo
fioriscono.
Altamura MM et al., Elementi di Biologia dello
sviluppo delle piante – Edises Editore
21
Le gibberelline
Arabidopsis.
(GA)
controllano
la
fioritura
in
Somministrando l’ormone a mutanti con tardiva fioritura è
possbile ripristinare il processo nei tempi giusti. Inibitori della
sintesi delle gibberelline bloccano la formazione dei fiori.
Mutanti con difetti nella biosintesi di questi ormoni hanno il
processo fiorale bloccato o alterato.
Da queste osservazioni è stata definita la via delle gibberelline
come possibile fase di controllo del processo fiorale.
Le GA sono strettamente necessarie per l’induzione della
fioritura negli ecotipi brevidiurni mentre sembrano poco attive
nelle piante che fioriscono a giorno lungo.
La via delle GA comunque sembra controllare tutto il processo
indipendentemente dal fotoperiodo e dalla vernalizzazione.
22
Apice vegetativo
Altamura MM et al., Elementi di Biologia dello sviluppo delle piante – Edises Editore
23
Quindi
Il processo che porta alla formazione del
fiore è molto complesso e non solo dal
punto di vista morfologico ma anche per
quanto riguarda il controllo genico.
24
Caratteristiche citologiche di un meristema
determinato a fiore
1) Aumentata sintesi di DNA nella zona centrale
del meristema caulinare (ex meristema d’attesa)
2) Sincronizzazione del ciclo cellulare
3) Aumentata sintesi di DNA e RNA in tutto l’apice
4) Aumento del contenuto proteico totale
5) Aumento di mitocondri
6) Considerevole allargamento e riorganizzazione
dei nucleoli.
25
Il fiore è un germoglio a crescita determinata, con un
asse corto, che porta gli sporofilli, foglie modificate,
che a loro volta portano gli sporangi.
Verticilli
concentrici
Altamura MM et al., Elementi di Biologia dello sviluppo delle piante – Edises Editore
Verticilli
spiralati
26
Il
meristema
fiorale,
mediante
divisioni,
distensione
e
differenziamento
cellulare
si
trasforma in un fiore costituito dai diversi
verticilli.
I sepali sono i verticilli inseriti per prima sull’asse
fiorale, a partire dall’esterno, seguiti poi dai petali
e nella parte centrale si organizzano gli stami ed i
carpelli.
Sequenza dello sviluppo dei pezzi fiorali:
Calice
Corolla
(successione acropeta)
Stami
Carpelli
27
La maggior parte delle informazioni acquisite sullo
sviluppo fiorale sono state ottenute analizzando i
mutanti omeotici fiorali.
Mutazioni che determinano la conversione di
un
verticillo in un altro sono dette mutazioni
OMEOTICHE. Le mutazioni omeotiche determinano 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.
28
Apetala2
Agamous
I sepali sono
convertiti in carpelli
ed i petali in stami.
Triplo mutante in
cui
tutti
i
verticilli
fiorali
sono convertiti in
foglie
Raven – Biologia delle Piante – Zanichelli
29
pistillata
apetala2
agamous
Altamura MM et al., Elementi di Biologia dello sviluppo delle piante – Edises Editore
30
Lo studio di questi mutanti omeotici ha
permesso di identificare classi di geni (5
classi) che controllano l’organizzazione e lo
sviluppo dei verticilli fiorali, la loro
regolare espressione porta al normale
sviluppo del fiore. Questi geni sono stati
identificati come geni di classe A, B, C, D
ed E.
MODELLO ABCDE
Inizialmente modelloo ABC.
31
Il modello ABC
prevede
che
i
sepali
siano
determinati
dall’attività
dei
geni di classe A, i
petali dai geni A e
B, gli stami dai
geni B e C e i
carpelli dai geni
C.
Altamura MM et al., Elementi di Biologia dello sviluppo delle piante – Edises Editore
Inoltre le proteine codificate dai geni di classe C
dovrebbero reprimere l’attività dei geni di classe
A nel terzo e quarto verticillo.
32
Alla metà degli anni ’90 il modello fu esteso
ad un’altra classe di geni la classe D. Questi
geni, furono identificati in petunia e si
osservò
che
erano
indispensabili
per
determinare l’identità degli ovuli.
33
I geni di classe D in Arabidopsis sono rappresentati
da SEEDSTICK (STK). L’espressione ectopica di
questo gene forma ovuli ectopici e strutture simili a
carpelli sui sepali.
STK comunque è necessario anche per una corretta
formazione del funicolo e per l’abscissione dei semi.
sepali
wt
Mutante stk
sepalo
ovuli
34
Nel 2000 questo modello è stato ulteriormente ampliato
aggiungendo i geni di classe E.
È stato dimostrato che questi geni sono necessari per la
determinazione di tutti gli organi fiorali. Sono espressi
in tutti gli organi fiorali già a livello di primordio ma non
sono espressi nel doma vegetativo.
Triplo mutante sep1sep2sep3 Sepali omeotici
I
geni
di
classe E, uno
è
il
gene
sepellata, sono
necessari per
la conversione
delle foglie in
organi fiorali
Sepali
corretti
Altamura MM et al., Elementi di Biologia dello sviluppo delle piante – Edises Editore
Fiore
indeterminato
Fiori di foglie
35
Lo studio dei mutanti sep e dell’azione dei geni SEP
ha permesso di confermare la vecchia intuizione che
i verticilli fiorali sono foglie modificate.
Gli organi fiorali si formano correttamente solo se i
geni di classe A, B, C, D ed E vengono espressi in
modo corretto.
Altamura MM et al., Elementi di Biologia dello sviluppo delle piante – Edises Editore
36
L’espressione dei geni d’identità dei
verticilli fiorali è controllata in modo
rigoroso.
37
È possibile estendere il modello ABC anche ai fiori
delle altre Angiosperme?
Si
Negli ultimi anni si stanno isolando e caratterizzando
numerosi geni in diverse specie di Angiosperme che
appartengono un pò a tutte le classi di geni
identificate in Arabidopsis.
Anche nelle monocotiledoni, ad es., è stato dimostrato
che i geni di classe B sono espressi anche nel primo
verticillo in questo modo anzichè sepali e petali si
formano i tepali.
Arabidopsis
tulipano
Altamura MM et al., Elementi di Biologia dello sviluppo delle piante – Edises Editore
38