30/11/2010 Riproduzione • concetto di riproduzione • tipi di riproduzione 1 Riproduzione Processo che permette la conservazione e la diffusione della specie producendo nuovi individui in grado, a loro volta, di riprodursi. Fase vegetativa Fase riproduttiva Il processo di riproduzione, mentre produce nuovi individui, può avere significato negativo per gli individui che si riproducono (morte). 2 1 30/11/2010 OLOCARPIA L’intero organismo passa alla fase riproduttiva. Organismi unicellulari, alghe verdi Coniugate (es. Spirogyra). Transizione alla fase riproduttiva Chlorella Coniugazione in Spirogyra 3 EUCARPIA Solo una parte del corpo assume funzione riproduttiva. Organismi pluricellulari, alghe cenocitiche, funghi. Fase vegetativa Fase riproduttiva 4 2 30/11/2010 La transizione alla fase riproduttiva è determinata da: 1. fattori genetici 2. fattori ambientali (fotoperiodo, termoperiodo) In condizioni ambientali sfavorevoli, la pianta può passare alla fase riproduttiva anche in uno stadio giovanile, di plantula (pedanzìa). In relazione alle conseguenze che la fase riproduttiva determina sulla pianta madre: • • piante monocarpiche – morte della pianta madre (piante annuali, bienni, alcuni casi di perenni es. bambù) piante policarpiche – la pianta madre sopravvive e quindi può nuovamente riprodursi (piante perenni) 5 Tipi di riproduzione • Riproduzione asessuata o agamica o vegetativa • Riproduzione sessuata p p per sporogonia p g • Riproduzione 6 3 30/11/2010 Riproduzione vegetativa • Mantenimento delle caratteristiche genetiche dell’individuo che si è riprodotto (cloni dell dell’organismo organismo madre). • Vantaggio: velocità di diffusione della specie. • 9 9 9 9 Tipologie di riproduzione vegetativa: Scissione Gemmazione Frammentazione Sporulazione 7 Scissione • Modalità di riproduzione agamica negli organismi unicellulari: procarioti, microalghe, alcuni lieviti. • Processo di mitosi: ogni cellula madre genera due cellule figlie con lo stesso corredo cromosomico della madre. Department of Microbiology, Cornell University. Mod. 8 Da Gerola 4 30/11/2010 Gemmazione • Particolare forma di mitosi nei lieviti. • Formazione di una protuberanza collegata alla cellula madre da un istmo: il materiale genetico migra verso la protuberanza, originando infine una cellula indipendente. • I lieviti originati per gemmazione possono restare collegati temporaneamente tra loro. Da Gerola.9 Frammentazione Frammenti del corpo dell’organismo diventano indipendenti e originano nuovi individui. Forme semplici di frammentazione: 9 Frammentazione del tallo nelle alghe azzurre coloniali (Nostoc, Oscillatoria) 9 Frammentazione del tallo di alghe e muschi 9 Frammentazione del micelio nei funghi Esempio, frammentazione in Lyngbya (cianobatterio) Da Mauseth.10 5 30/11/2010 Forme specializzate: • propaguli nelle briofite • bulbilli (gemme con radichette) • fusti modificati come tuberi (patata), rizomi (canna palustre), bulbi (cipolla), stoloni (fragola) rappresentano sistemi di riproduzione vegetativa della specie. Riproduzione vegetativa come espressione della totipotenza delle cellule vegetali. In campo agronomico: talee e innesti. In campo biotecnologico: propagazione in vitro. 11 Bulbilli Stoloni Innesto Talee Tubero Bulbo Kalanchöe daigremontiana Rizoma Da Gerola. 12 6 30/11/2010 Sporulazione • Tipo particolare di frammentazione: il frammento è costituito da una sola cellula prodotta per mitosi (mitospora). • Le spore generano nuovi individui attraverso una serie di mitosi = germinazione della spora. • Nei funghi e nelle alghe. 13 1. In relazione alla localizzazione delle spore: 9 Endospore: le spore sono racchiuse in sporocisti (es. funghi inferiori) 9 Esospore: le spore non sono racchiuse in sporocisti (ad es. portate su ife specializzate come i conidi negli ascomiceti) 2. In relazione al movimento: 9 Zoospore: si muovono nuotando mediante flagelli 9 Aplanospore: no movimento proprio (es. Chlorella) Le endospore p comprendono p sia zoospore p che aplanospore, p p le esospore p solo aplanospore. p p 14 7 30/11/2010 endospore esospore zoospore aplanospore 15 Riproduzione sessuata SINGAMIA (o zigosi) = unione di due cellule con corredo cromosomico aploide p (g (gameti). ) La singamia comprende: • plasmogamia = fusione dei citoplasmi • cariogamia = fusione dei nuclei Prodotto della gamia = zigote. Vantaggio = “rimescolamento” genetico 16 8 30/11/2010 gamia n Zigote ‐ sincarion 2n n n plasmogamia cariogamia n n n sincarion 2n Zigote ‐ dicarion 17 I processi di riproduzione sessuata possono coinvolgere la fusione di: • semplici gameti = gametogamia • intere strutture che recano i gameti (gametangi)= gametangiogamia (es. ascomiceti) • strutture non prettamente specializzate per la riproduzione = somatogamia (es. basidiomiceti) 18 9 30/11/2010 Tipi di gametogamia ISOGAMIA + OOGAMIA ANISOGAMIA ‐ Isogameti ♀ ♀ ♂ ♂ anisogameti oosfera spermatozoide (anterozoide) 19 Sporogonia In alghe, funghi, briofite, pteridofite. Produzione di spore per MEIOSI = meiospore. Vantaggio = velocità di diffusione della specie. n n Il corredo cromosomico della cellula madre viene dimezzato! 2n n Cellula madre delle meiospore n Meiospore 20 10 30/11/2010 Le meiospore differiscono da: ‐ gameti: le spore germinando originano un nuovo individuo aploide, mentre i gameti non germinano, ma debbono fondersi per formare una cellula diploide (zigote) ‐ mitospore: le meiospore sono state prodotte per meiosi e quindi hanno sempre corredo aploide, p , mentre le mitospore p hanno il corredo della cellula madre che le ha generate g (aploide o diploide). (ma stessa nomenclatura: endo‐ ed esospore…) 21 La riproduzione per sporogonia può esistere solo negli organismi che presentano anche riproduzione sessuata • La sporogonia dimezza il corredo cromosomico • La ricostituzione della fase nucleare diploide avviene tramite la riproduzione sessuata 22 11 30/11/2010 Cicli ontogenetici • cicli fondamentali • alternanza di fase nucleare e di generazione 23 Fase nucleare e generazione Negli organismi con riproduzione sessuata, si verifica un’alternanza di fase nucleare n‐2n. Qui è intervenuto un processo di meiosi Fase DIPLOIDE Fase APLOIDE 2n n Qui è intervenuto un processo di gamia 24 12 30/11/2010 Gli organismi generati per mitosi da cellule “capostipiti” (zigote, spora) formano una Generazione = individui autonomi caratterizzati da una determinata forma di riproduzione. mitosi 2n 2n 2n 2n 2n n n n n Generazione diploide mitosi n Generazione aploide 25 Cicli ontogenetici Sulla base del momento in cui avviene la meiosi e delle generazioni che caratterizzano l’organismo l organismo si distinguono tre cicli vitali fondamentali (cicli ontogenetici): • Diplonti • Aplonti A l i • Aplodiplonti 26 13 30/11/2010 Ciclo DIPLONTE Meiosi gametica o terminale = produce i gameti alla fine del ciclo. Una sola generazione DIPLOIDE = DIPLOFITO DIPLOFITO. Le uniche cellule aploidi sono i gameti. gameti n gameti n zigote diplofito 2n 2n n n n 27 Es. Fucus. Diplofito Gameti Meiosi Da Mauseth, mod. 28 14 30/11/2010 Ciclo APLONTE Meiosi zigotica o iniziale = immediatamente successiva alla gamia, apre il ciclo con le meiospore. Una sola ggenerazione APLOIDE = APLOFITO. L’unica cellula diploide è lo zigote. meiospore gameti n n zigote n 2n n aplofito n n n n n n 29 Es. Chara gameti zigote meiosi i i Aplofito meiospora 30 Da Gerola, mod. 15 30/11/2010 Ciclo APLODIPLONTE Meiosi intermedia = separa due generazioni antitetiche. • una generazione APLOIDE = APLOFITO o GAMETOFITO • una generazione DIPLOIDE = DIPLOFITO o SPOROFITO meiospore gameti zigote n sporofito 2n gametofito n n n 2n n n n n n n 31 Meiosi GAMIA n n n 2n n n Meiosi n n 2n n n n n n n n Meiosi n 2n n n n n n n n n 32 16 30/11/2010 Alternanza di generazioni antitetiche isomorfiche: sporofito e gametofito hanno la stessa morfologia (es. Ulva) meiosi 33 courses.bio.psu.edu, mod. Alternanza di generazioni antitetiche eteromorfiche: diversa morfologia di gametofito e sporofito (es. Dictyota) gameti gamia Gametofito Sporofito Gametofito meiosi Da Gerola, mod. meiospore 34 17 30/11/2010 • Ambiente acquatico Ambiente “protetto”. Nei diversi gruppi di alghe si ritrovano tutti i tipi di cicli ontogenetici. • Ambiente terrestre Più soggetto a variazioni. La condizione aploide è debole: tutte le mutazioni sono manifeste nell’individuo aploide! TUTTE le piante terrestri hanno un ciclo APLODIPLONTE, ma con una progressiva riduzione del gametofito. 35 Briofite Pteridofite Protallo (gametofito) 36 18 30/11/2010 meiosi Ciclo ontogenetico di briofita (muschio) gamia 37 www.esu.edu Ciclo ontogenetico di pteridofita (felce) meiosi Protallo gamia www.esu.edu 38 19 30/11/2010 Pteridofite Sporofito dipendente dal gametofito solo all’inizio dello sviluppo Spermatofite Sporofito indipendente dal gametofito. Gametofito microscopico. Prevalenza dello sporofito 2n Briofite Prevalenza del gametofito n E Emersione i d dall’acqua ll’ Ciclo aplodiplonte generazioni eteromorfiche Ciclo aplodiplonte generazioni isomorfiche Ciclo aplonte 39 Embrione Nelle piante terrestri lo zigote, prima cellula della generazione sporofitica, si sviluppa inizialmente a spese del gametofito: attraverso una serie di mitosi esso forma un embrione pluricellulare che poi si svilupperà nello sporofito maturo. Piante terrestri (briofite + tracheofite) = EMBRIOFITE Nelle spermatofite l’embrione è racchiuso in uno stato quiescente all’interno del seme. 40 20 30/11/2010 Il fiore delle Angiosperme • generalità • verticilli fiorali 41 Spermatofite Disseminazione della specie affidata al SEME • “nudo” = Gimnosperme • racchiuso nel frutto = Angiosperme La formazione del seme dipende dall’evoluzione di un sistema specializzato per la riproduzione = FIORE 42 21 30/11/2010 Fiore delle Angiosperme Fiore Ramo ad accrescimento definito con internodi raccorciati e recante foglie modificate per la funzione riproduttiva. I fiori possono essere solitari o, più spesso, sono riuniti in gruppi = infiorescenze. Schiusa del fiore = antesi. 43 Gineceo ‐ Pistillo (carpelli) Androceo ‐ Stami Corolla ‐ Petali PERIANZIO Ricettacolo Calice ‐ Sepali Peduncolo 44 22 30/11/2010 • Peduncolo Ramo che porta il fiore (elaborato tessuto cribroso: il fiore è un “pozzo” di fotosintati). Fiori peduncolati vs sessili • Ricettacolo o talamo Porzione finale del peduncolo sulla quale si inseriscono le parti fiorali • Pezzi fiorali Sepali, petali, stami, carpelli 9 Condizione primitiva: disposizione a spirale (fiori spiralati o aciclici) 9 Condizione derivata: disposizione in verticilli (fiori verticillati o ciclici) 45 Verticilli fiorali 1. Calice 1 C li 2. Corolla 3. Androceo 4. Gineceo SSepalili Petali Antofilli (sterili) Stami Carpelli ll Sporofilli (f ili) (fertili) 46 23 30/11/2010 Calice Funzione = protezione, talora vessillare (sepali petaloidei) Deciduo o persistente. Sepali distinti Calice dialisepalo Sepali fusi (concresciuti) Calice gamosepalo 47 Corolla Funzione = protezione, vessillare In genere appassisce dopo la fecondazione. Ridotta o assente nei fiori impollinati dal vento. Petali distinti Corolla dialipetala Petali fusi (concresciuti) Corolla gamopetala 48 24 30/11/2010 Perianzio e perigonio Perianzio Perigonio • • • Sepali = petali = tepali • Monocotiledoni Sepali e petali distinti Dicotiledoni www.bridgewater.edu Trillium undulatum www.maltawildplants.com Colchicum cupanii 49 Simmetria del fiore Simmetria raggiata Fi Fiore attinomorfo tti f Simmetria bilaterale Fi Fiore zigomorfo i f 50 25 30/11/2010 Verticilli fertili 1. apparato pp riproduttore p maschile androceo ‐ stami 2. apparato riproduttore femminile gineceo ‐ carpelli ‐ pistillo 51 Sulla base della presenza dei verticilli fiorali: • fiori ermafroditi (perfetti) = stami + pistilli • fiori unisessuali (imperfetti) = staminiferi o pistilliferi Fiori unisessuali: • portati sullo stesso individuo = pianta MONOICA (es. zucca, mais)) • portati su individui diversi = pianta DIOICA (es. ortica, actinidia) 52 26 30/11/2010 Nelle foglie modificate che formano i verticilli fertili si verifica il processo di meiosi che porta alla formazione delle meiospore: • maschili: microsporofilli – microspore (androspore) • femminili: macrosporofilli – macrospore (megaspore, ginospore) Le meiospore germinando originano gametofiti maschili e femminili microscopici ridotti a sole poche cellule. cellule 53 Il ciclo vitale delle Angiosperme è aplodiplonte. Il ciclo si adatta allo schema generale: meiospore gameti n zigote 2n n sporofito gametofiti ♂ e ♀ n n n n n n n La condizione specifica delle Angiosperme è il punto di arrivo di un lungo processo di riduzione del gametofito n a favore dello sporofito 2n. 54 27 30/11/2010 Il fiore delle Angiosperme • Androceo 55 Androceo Apparato riproduttore maschile = insieme degli stami Stami = microsporofilli ANTERA Sacca polllinica Sacca pollinica Teca Sacca pollinica Filamento Teca Sacca pollinica Antera 56 28 30/11/2010 Struttura dell’antera in sezione Connettivo Esotecio Endotecio Teca Tappeto Logge o sacche polliniche 57 • Esotecio Strato tegumentale esterno • Endotecio Situato internamente all’esotecio, cellule molto grosse con ispessimenti parietali a U (parete sottile rivolta verso l’esotecio). Determina l’apertura dell’antera per la liberazione del polline. • Tappeto Strato di cellule che riveste la cavità della sacca pollinica. Nutre le cellule fertili e contribuisce alla formazione della parete dei granuli pollinici. • Archesporio Insieme delle cellule fertili (tessuto archesporiale) 58 29 30/11/2010 Le sacche polliniche contengono il tessuto archesporiale 2n, formato dalle cellule madri delle microspore. Sacca pollinica = microsporangio. Per meiosi, ogni cellula madre delle microspore origina 4 microspore n = inizio della generazione gametofitica gametofitica. n n n 2n Tetrade pollinica n Cellula madre delle microspore 4 microspore Botanical society of America 59 Prima mitosi: granulo pollinico binucleato n n n n n Nucleo generativo Nucleo vegetativo All’interno della sacca pollinica, la microspora compie una prima mitosi asimmetrica generando due cellule, la più piccola delle quali viene poi “inglobata” nella cellula grande: formazione del granulo pollinico BINUCLEATO. 60 30 30/11/2010 Seconda mitosi Alla prima mitosi ne segue una seconda a carico della cellula generativa. Questa può avvenire: ‐ alla germinazione del granulo pollinico sullo stigma ‐ già nella sacca pollinica: granulo pollinico trinucleato (condizione più evoluta) n n n n Nuclei spermatici n Germinazione del granulo pollinico Tubetto pollinico n n n 61 Deiscenza dell’antera L’apertura delle sacche polliniche è un fenomeno igroscopico dovuto alle proprietà meccaniche dell’endotecio. I granuli pollinici maturi sono disidratati. Polline = granuli pollinici nel loro insieme 62 31 30/11/2010 Dispersione del polline Trasporto dei granuli di polline all’apparato riproduttore femminile: • impollinazione anemogama • impollinazione zoogama (frequentemente entomogama) • impollinazione idrogama (poco frequente) 63 64 32 30/11/2010 Riassunto: • Il granulo pollinico germinato, derivante da una microspora, è omologo alla piantina del muschio e al protallo delle felci. • Il processo di riduzione del gametofito maschile nelle piante terrestri raggiunge il suo apice nelle Angiosperme: la microspora va incontro a 2 sole mitosi. Granulo pollinico germinato = gametofito maschile p Gameti maschili = nuclei spermatici • I gameti vengono “trasportati” attraverso il tubetto pollinico: emancipazione dalla presenza di acqua per la fecondazione! 65 Il fiore delle Angiosperme • gineceo • doppia fecondazione • seme e frutto 66 33 30/11/2010 Gineceo Apparato riproduttore femminile = pistillo/i Carpelli = foglie modificate che originano il/i pistillo/i Stigma Stilo Ovario contenente l’ovulo/gli ovuli 67 Relazione ovario/talamo Ovario supero Fiore epigino Da Raven et al. Ovario medio Fiore perigino Ovario infero Fiore ipogino 68 34 30/11/2010 Struttura dell’ovulo Micropilo Primina Secondina Tegumenti Nocella Calaza Funicolo Al margine di saldatura del carpello si trova il tessuto da cui si originano gli ovuli = placenta. 69 Disposizione dell’ovulo micropilo calaza Ovulo ortotropo Ovulo anatropo 70 35 30/11/2010 Cellule tegumentali esterne Nocella 2n Cellule archesporiali, tra cui la cellula madre delle macrospore Polo micropilare 2n meiosi n n n n n Polo calazale 4 macrospore Cellula madre delle macrospore 1 macrospora 71 Germinazione della macrospora Apparato ovarico n n n 3 mitosi n n n n n n Apparato antipodale Polienergide 8‐nucleato All’interno della cellula i nuclei generati per mitosi migrano occupando posizioni precise. 72 36 30/11/2010 Formazione del sacco embrionale Oosfera Cellula sinergide Cellula sinergide n n n Nuclei polari n (superiore e inferiore) n Cellule antipodali n n n Il sacco embrionale comprende 8 nuclei aploidi spartiti tra 7 cellule, una delle quali ha funzione di gamete femminile (oosfera). 73 Riassunto: • Il sacco embrionale, derivante dalla macrospora, è omologo alla piantina del muschio e al protallo delle felci. • Il processo di riduzione del gametofito femminile nelle piante terrestri raggiunge il suo apice: la macrospora va incontro a 3 sole mitosi (23 = 8 nuclei spartiti in 7 cellule). Sacco embrionale = gametofito femminile Gamete femminile = oosfera 74 37 30/11/2010 Stadio a 4 nuclei Sacco embrionale Prima della fecondazione i due nuclei polari si fondono originando un nucleo pro‐endospermatico 2n nella cellula centrale del sacco embrionale. 75 Impollinazione 1. Deposito dei granuli di polline sullo stigma: adesione e riconoscimento (p (presenza di p papille p stigmatiche g con secreti vischiosi) 2. Reidratazione e germinazione del granulo pollinico: formazione del tubetto pollinico 3 A 3. Accrescimento i t d dell ttubetto b tt nello ll stilo til (tessuto (t t di trasmissione) fino all’ovario. 4. Penetrazione del tubetto attraverso il micropilo e apertura a livello di una sinergide. 76 38 30/11/2010 Adesione e riconoscimento Germinazione Accrescimento del tubetto Penetrazione attraverso il micropilo 77 Doppia fecondazione Entrambi i nuclei spermatici compiono una fecondazione. Processo esclusivo delle Angiosperme. Un nucleo spermatico si fonde col nucleo dell’oosfera generando lo zigote 2n n n n n n n n L’altro nucleo spermatico si fonde col nucleo proendospermatico generando il nucleo triploide dell’endosperma secondario. 78 39 30/11/2010 Doppia fecondazione Entrambi i nuclei spermatici compiono una fecondazione. Processo esclusivo delle Angiosperme. n n Un nucleo spermatico si fonde col nucleo dell’oosfera generando lo zigote 2n n n n n n L’altro nucleo spermatico si fonde col nucleo proendospermatico generando il nucleo triploide dell’endosperma secondario. 79 Formazione del seme • Lo zigote g 2n costituisce la p prima cellula della nuova ggenerazione sporofitica: p attraverso una complessa serie di mitosi origina l’embrione. • Il nucleo centrale 3n va incontro a divisioni tumultuose, la cellula aumenta di dimensioni, originando infine un tessuto nutritivo per l’embrione: endosperma secondario o albume. • I tegumenti dell’ovulo continuano a svolgere funzione di protezione e diventano tegumenti del seme. 80 40 30/11/2010 Formazione del seme Ovulo Seme Zigote 2n Embrione Tegumenti primina ‐p ‐ secondina Tegumenti ‐ testa ‐ tegmen Cellula centrale 3n Endosperma secondario 81 Formazione dell’embrione Embrione maturo Zigote Proembrione 82 41 30/11/2010 Dal seme alla plantula 83 Significato biologico del seme • Nuova struttura di propagazione della specie: spermatofite ( i (gimnosperme e angiosperme) i ) • Stadio quiescente (disidratato) ricco di riserve nutritive che sostengono la germinazione durante la formazione della plantula. • Nelle angiosperme l’albume triploide costituisce la riserva di sostanze nutritive durante l’embriogenesi: principio di economia (si forma solo se è avvenuta la fecondazione). 84 42 30/11/2010 Tipologie di riserve contenute nel seme • amido • proteine i ((aleurone) l ) • lipidi (semi oleaginosi) • polisaccaridi parietali (emicellulose, es. avorio vegetale) 85 Localizzazione delle riserve per la germinazione nel seme maturo • Cotiledoni: riserva embrionale embrionale, es es. leguminose leguminose. L’endosperma Lendosperma, terminato il suo ruolo, degenera. • Endosperma secondario: riserva extraembrionale. es. graminacee, nelle quali il cotiledone assume funzione austoriale (scutello). 86 43 30/11/2010 Embrione (dicotiledoni) Apice p del ggermoglio g Cotiledoni = foglie embrionali Asse ipocotile Radichetta (con apice meristematico) 87 Embrione (monocotiledoni) Apice p del ggermoglio g Cotiledone = foglia embrionale Asse ipocotile Radichetta (con apice meristematico) 88 44 30/11/2010 Fagiolo (Fabaceae) Ricino (Euphorbiaceae) Mais (Poaceae) Cipolla (Liliaceae) Da Raven et al. mod. 89 Germinazione del seme • Influenza di fattori endogeni ed esogeni • 1. 2. 3. 4. In seguito alla imbibizione: scoppio dei tegumenti crescita dell’embrione progressiva riduzione degli organi di riserva formazione della plantula 90 45 30/11/2010 Germinazione epigea e ipogea Da Raven et al. 91 Ipocotile ed epicotile Epicotile Ipocotile 92 46 30/11/2010 Generalmente, durante lo sviluppo, fusto e radice inglobano l’asse ipocotile, che quindi scompare. Fanno eccezione le piante biennali (es. carota, ravanello, barbabietola.. da foraggio!), che hanno un ipocotile piuttosto ingrossato ed evidente. L’ipocotile non è il vero fusto, ma una zona di transizione tra radice e fusto. Il fusto vero deriva dall’attività dell’apice del germoglio e della gemma. 93 Embrione Plantula Pianta Gemma Gemma Apice del germoglio Fusto + foglie Asse epicotile Cotiledoni (Cotiledoni) Asse ipocotile Asse ipocotile Radichetta Radice Radice Apice radicale Apice radicale Apice radicale 94 47