Sviluppo e Differenziamento Delle
Piante
Prof. Mauro Marra stanza 349
Libri di testo
Altamura : “Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante “ EdiSES
Taiz-Zeiger “Fisiologia vegetale” Piccin
Buchanan “Biochimica e biologia molecolare delle piante” Zanichelli
Articoli da riviste scientifiche
Programma del corso
Sviluppo delle piante: basi molecolari della crescita e del differenziamento
Embriogenesi, meristemi e sviluppo degli organi.
Basi genetiche dello sviluppo del fiore.
Controllo della fioritura.
(La Senescenza e la morte cellulare programmata nelle piante)
(La maturazione dei frutti)
DEFINIZIONI
Sviluppo: ha inizio negli eucarioti multicellulari con la fecondazione
Zigote:
prolifera a formare un EMBRIONE multicellulare;
si stabilisce una POLARITA’ e degli ASSI DI SIMMETRIA:
quadro di riferimento per il differenziamento di gruppi
di cellule in ORGANI e TESSUTI
Come viene generata l’asimmetria?
Come da una singola cellula iniziale, con poche divisioni si
arriva ad una progenie di cellule con proprietà diverse le
une dalle altre?
ASIMMETRIA: può essere generata in maniera diversa
da organismo a organismo
Cellula uovo simmetrica: acquisizione asimmetria
dipende dai cicli iniziali di divisione (mammiferi)
Cellula uovo asimmetrica: componenti distribuiti
asimmetricamente (Drosophila, piante)
Da un punto di vista molecolare: diversi tipi cellulari = diversi pattern di
espressione genica
Regolazione attraverso il controllo della trascrizione genica
Asimmetria iniziale tradotta in controllo della espressione di
geni specifici, in modo che regioni specifiche della cellula uovo
acquisiscano proprietà differenti
Diversa localizzazione di fattori di trascrizione
Controllo localizzato della loro attività
CONTROLLO SPAZIALE E TEMPORALE
DELL’ESPRESSIONE GENICA
STADIO INIZIALE seguito da uno stadio successivo in cui si determinano
le IDENTITA’ delle varie parti dell’EMBRIONE, dal quale si formeranno le
diverse parti dell’organismo adulto
Geni regolatori: GENI OMEOTICI
(mutazioni causano l’assenza la duplicazione o lo scambio di organi;
codificano per fattori di trascrizione)
AZIONE GERARCHICA
CONTROLLO A CASCATA
Un gene attivato in un certo stadio controlla l’espressione di un set genico
dello stadio successivo
Lo sviluppo di un organismo adulto da una cellula uovo fecondata
segue una via predeterminata in cui geni specifici sono attivati o
repressi in momenti particolari
I meccanismi cellulari possono essere diversi in specie diverse
ma i principi di base (drosophila) sono validi in generale
Una cascata di eventi regolativi determina il pattern appropriato
di espressione genica che porta all’organismo adulto
MECCANISMI DI REGOLAZIONE
Regolazione della trascrizione (cascate trascrizionali)
Processamento RNA
Stabilità e trasporto mRNA
Degradazione delle proteine (Proteosoma)
DIFFERENZE TRA PIANTE ED ANIMALI
NEL PROCESSO DI SVILUPPO
Sviluppo meno determinato: le cellule vegetali mantengono un certo
grado di TOTIPOTENZA. Tessuti differenziati possono essere indotti a
sdifferenziarsi (calli) e di qui a rigenerare organi specifici e l’intera pianta
(embriogenesi somatica)
Cellule vegetali possono cambiare identità se isolate dal contesto originario o se cambia
la loro posizione nella pianta
Transdifferenziamento: da celllula parenchimatica a xilematica (colture in vitro)
Cambiamento da una condizione meristematica ad un’altra: da cellule del
procambio a cellule del centro quiescente nell’apice radicale
Da uno stato adulto a uno meristematico nello stesso tessuto: da cellule
dell’epidermide (meristemoidi) a cellule di guardia degli stomi
Il movimento di cellule che è un aspetto importante
dell’embriogenesi animale, nelle piante è fortemente
limitato dalla presenza della parete cellulare.
Capacità di divisione cellulare ristretta alle ZONE
MERISTEMATICHE; attività meristematica associata
anche al differenziamento cellulare
STRUTTURA DELLE PIANTE
Il corpo vegetativo delle piante consiste di due parti:
Il sistema radicale
Il sistema di parti aeree
Sistema di parti aeree:
fusto primario, rami
Sistema radicale:
radice primaria e
radici secondarie e terziarie
Caratteristiche strutturali comuni a tutte le angiosperme, tuttavia
tra monocotiledoni e dicotiledoni alcune differenze anatomiche
M: orchidee, gigli, palme, riso, mais
D: rose fagioli, spinaci, girasole, querce
Ogni organo vegetale consiste di diversi tessuti e ogni tessuto
contiene molti tipi di cellule
Gli organi vegetali consistono di tre diversi tessuti
DERMICO
VASCOLARE
FONDAMENTALE
In complesso questi tessuti contengono circa 40 diversi tipi cellulari
Il corpo umano contiene diverse centinaia di tipi cellulari
Piante
organismi più semplici
Organizzazione dei tre sistemi di tessuti nel corpo della pianta
Tessuti dermici
Epidermide: in piante giovani: singolo strato
di cellule con parete cellulare ispessita rivestita dalla
cuticola (differenziamento in tricomi o cellule
di guardia nelle foglie e in peli radicali
nella radice)
Periderma: in piante mature,
comprende la corteccia;
compare all’inizio dell’ispessimento
e dopo la caduta dell’epidermide
Tessuti fondamentali
Parenchima: cellule con parete sottile,
si trovano in tutti i tessuti.
Foglie: fotosintesi (mesofillo)
Fusto e radice: accumulo di amido e saccarosio
Semi: amiloplasti, corpi proteici e corpi oleosi
Floema: cellule compagne
Collenchima: pareti cellulari più spesse, allungate,
raggruppate in file verticali al di sotto dell’epidermide,
con funzione di supporto meccanico.
Sclerenchima: cellule morte con pareti ispessite
e lignificate.
Formano fibre che sostengono e proteggono
il floema nei fusti
Tessuti vascolari
Xilema: elementi dei vasi (tracheidi),
cellule allungate, morte con pareti ispessite e
lignificate;Trasporto di acqua e soluti
dalle radici alle foglie
Floema: elementi dei tubi cribrosi
cellule cribrose), cellule vitali prive
di nucleo e tonoplasto.
Trasporto dei fotoassimilati
nelle regioni sink della pianta.
Piante: immobilità
Maggiore capacità di adattamenti fisiologici
Minore complessità anatomica rispetto agli animali
Anatomia rigida: cellule incapaci di migrare (parete cellulare)
Negli animali cellule migrano negli stadi precoci di sviluppo per formare
gli organi
Crescita mediante attività dei meristemi durante tutto il ciclo vitale
(sviluppo vegetativo)
Negli animali sviluppo stabilito essenzialmente durante l’embriogenesi
La fase vegetativa dello sviluppo della pianta comincia con l’embriogenesi
ma continua per tutta la vita della pianta.
Le piante a differenza degli animali hanno tessuti specializzati, i meristemi,
che generano continuamente nuove cellule ed organi
Crescita indeterminata
Ciò fornisce alle piante un modo semplice di risolvere il problema
dell’invecchiamento: quando un organo è vecchio viene sostituito da uno nuovo
ES: abscissione fogliare
ANIMALI: durante l’embriogenesi definite le caratteristiche basilari del piano
del corpo
(assi di polarità) e vengono formati tutti gli organi dell’individuo adulto
PIANTE: durante l’embriogenesi definito il piano basilare del corpo ma
vengono abbozzati pochissimi organi: la maggior parte viene formata nello
sviluppo post-embrionale
I Meristemi
doma
Meristema apicale del germoglio (SAM):
all’apice del germoglio una piccola massa di cellule
a forma di cupola in continua divisione.
Sono le progenitrici di tutte le cellule del germoglio.
Le cellule immediatamente al di sotto sono anche
meristematiche e la loro divisione contribuisce alla
formazione degli organi, in particolare il fusto.
Dalla superfice del SAM emergono delle piccole
protrusioni, i primordi, che evolveranno in piccole
foglie. Inoltre si formano nuovi meristemi che daranno
luogo alle gemme ascellari, quiescenti fino all’arrivo
di uno stimolo ormonale
Nell’insieme il meristema apicale (SAM) e i primordi formano la gemma apicale
Stimoli ambientali, in primo luogo luce e temperatura regolano l’attività del SAM, attraverso la variazione
dei livelli di alcuni ormoni
Gli ormoni a loro volta attivano cascate geniche che controllano nel meristema la velocità di divisione cellulare,
la dimensione del meristema, l’esatta posizione in cui si formano gli organi (primordio fogliare) e la velocità
di crescita dell’organo
Meristema apicale della radice (RAM) :
Il meristema apicale della radice
è presente all’apice di ogni radice,
appena al disotto della cuffia,
la struttura che protegge
il meristema quando
la radice cresce nel suolo.
La cuffia ha le proprie cellule
meristematiche o iniziali che
continuano a produrre
cellule della cuffia, le quali poi
cadono durante la crescita
mantenendo costanti le dimensioni
della cuffia. La radice stessa
si origina da poche cellule iniziali
(da tre a sei). Durante la crescita
le radici laterali non si formano dal
meristema apicale ma da
un meristema secondario
che si differenzia dal periciclo
per effetto dell’auxina.
Come nei fusti, il pattern di sviluppo
è quello di continuo
accrescimento della radice e
di formazione di RAM.
SAM e RAM:
cellule più piccole di quelle parenchimatiche (100-1000 volte). Hanno nuclei prominenti
e citoplasma denso ricco di ribosomi e plastidi poco sviluppati. La loro funzione principale
è quella di dividersi (ogni 36-48 ore). Hanno parete cellulare sottile che viene riformata
dopo la divisione. Alla periferia dei meristemi le cellule cominciano ad uscire dal
programma di divisione e cominciano ad espandersi e poi a differenziarsi mediante
l’espressione di migliaia di geni non espressi nelle cellule meristematiche.
SAM
ha la funzione di produrre la parte aerea del corpo vegetativo della pianta (foglie e fusto)
ma per effetto di stimoli ambientali e/o ormonali il SAM può convertirsi nel meristema
fiorale che produrrà i primordi fiorali e poi la struttura riproduttiva matura (fiore)
con i vari organi ( sepali, petali, stami , carpelli)
Gli stimoli ambientali e gli ormoni attivano programmi genetici
che regolano lo sviluppo delle piante
Specifici stimoli ambientali sono richiesti per far
procedere una pianta da uno stadio di sviluppo al
successivo
Interruzione dormienza
Deeziolatura
luce
Fioritura
fotoperiodo
vernalizzazione
Le piante a seme (spermatofite) hanno sviluppato una strategia riproduttiva
basata sulla produzione di semi che contengono gli EMBRIONI i quali sono spesso
disidratati e dormienti
Nel primo stadio di sviluppo, dalla cellula
uovo fecondata si origina il seme
Celule specializzate nello stame e nel carpello vanno
incontro a meiosi, producendo cellule spermatiche
(stame) e cellule uovo (carpello) aploidi.
Nell’ovulo si forma una singola cellula uovo
Nel tubetto pollinico sono presenti due cellule
spermatiche
La fecondazione produce lo zigote diploide che si sviluppa nell’embrione, parte del seme.
Un secondo evento di fertilizzazione produrrà il nucleo polare da cui si genera l’endosperma
del seme. La formazione dell’embrione e del seme avviene nei tessuti (ovario) della pianta madre.
EMBRIOGENESI: il processo in generale
Dopo la fecondazione, lo zigote va incontro a numerose divisioni fino a formare l’embrione
La crescita dell’embrione ha luogo dentro l’ovulo in un mezzo ricco di nutrienti:
l’endosperma liquido (crescita eterotrofica)
L’endosperma sintetizza i nutrienti da saccarosio e aminoacidi forniti dalla pianta madre.
Mano a mano che si accresce, l’embrione acquisisce capacità biosintetiche ma rimane
dipendente dal rifornimento di saccarosio e aminoacidi dalla pianta madre.
aspetto chiave: formazione dell’asse embrionale
•SAM e RAM situati ai poli opposti dell’embrione
formazione del seme:
Formato l’embrione, vengono sintetizzate le riserve di nutrienti (proteine, lipidi, amido)
e si accumulano nelle cellule parenchimatiche di riserva dei cotiledoni o di altri tessuti.
Nelle dicotiledoni: accumulo nei cotiledoni che diventano molto grandi
Nei cereali e altre erbacee accumulo nell’endosperma
Accumulo in organelli specializzati: amiloplasti (amido), corpi proteici (proteine), corpi oleosi (lipidi)
Dallo zigote al seme maturo:
Attivazione di complessi programmi genetici:
Divisione cellulare, formazione di tessuti ed organi dell’embrione
Espansione degli organi di riserva e biosintesi dei composti di riserva
Resistenza alla disidratazione (accumulo di proteine, zuccheri e oligosaccaridi
idrofilici con funzione protettiva)
EMBRIOGENESI
Dà inizio allo sviluppo della pianta
Comincia con l’unione di una cellula uovo e una cellula spermatica a formare lo zigote, ma in casi
particolari anche cellule somatiche possono andare incontro a embriogenesi (embriogenesi somatica)
Trasforma lo zigote a singola cellula in una piantina multicellulare, microscopica, embrionale.
L’embrione completo ha la stessa organizzazione del corpo vegetale della pianta matura e buona parte
dei tessuti, anche se alcuni di questi sono presenti in forme più rudimentali.
La fecondazione dà luogo in realtà ad altri tre processi di sviluppo: formazione dell’endosperma,
del seme e del frutto. Nelle angiosperme oltre alla formazione dello zigote c’è un secondo evento
di fecondazione in cui un’altra cellula spermatica si unisce con due nuclei polari e dà luogo
all’endosperma triploide
L’Embriogenesi ha luogo nel sacco embrionale all’interno dell’ovulo.
altre strutture associate all’ovulo danno luogo alle altre parti del seme.
L’ embriogenesi e lo sviluppo dell’endosperma decorrono parallelamente allo sviluppo del seme;
l’embrione è parte del seme.L’endosperma è anche parte del seme ma in alcune specie può
scomparire nel seme maturo.
EMBRIOGENESI SOMATICA
Generazione di embrioni da cellule diverse dallo zigote
da cellule uovo non fecondate
APOMISSIA
da cellule dei tessuti materni dell’ovulo
da cellule vegetative: Kalanchoe
In vitro: colture embriogeniche di Daucus carota,
Espianti di ipocotile trattati con auxina sintetica (2,4 D)
TOTIPOTENZA
EMBRIOGENESI: dallo zigote monocellulare all’embrione pluricellulare
Elaborazione della forma: MORFOGENESI
Formazione di strutture funzionali: ORGANOGENESI
Differenziamento delle cellule nei tessuti: ISTOGENESI
Risposta fisiologica: DORMIENZA / GERMINAZIONE
Pianta modello: Arabidopsis thaliana
Dicotiledone
appartiene alla famiglia delle brassicacee
Piccola, dal ciclo vitale breve, particolarmente adatta agli studi di genetica
e biologia molecolare
Genoma piccolo e completamente sequenziato
Sforzo comune della ricerca per comprendere la funzione di ogni suo
gene entro il 2010
Arabidopsis 107 bp
Fritillaria 1011 bp
