L’EMBRIOGENESI IN ARABIDOPSIS

Pattern di sviluppo apicale-basale (assiale) L’Embriogenesi stabilisce le caratteristiche essenziali della pianta adulta Nelle piante, diversamente dagli animali l’embriogenesi non genera direttamente i tessuti e gli organi dell’adulto Nelle angiosperme formazione di un corpo rudimentale: asse embrionale e due cotiledoni (dicotiledoni) Tuttavia definite le caratteristiche dello sviluppo che si riscontrano nella pianta matura Pattern di sviluppo apicale-basale (assiale) Pattern di sviluppo radiale Inoltre l’embriogenesi determina la formazione dei meristemi primari, i quali dopo la germinazione daranno luogo agli organi e ai tessuti della pianta adulta.

piantina embrionale e pianta adulta di arabidopsis

Sviluppo dell’embrione 4 stadi morfologici Stadio globulare (divisioni cellula apicale dello zigote asimmetrico) Stadio a cuore (cotiledoni, simmetria bilaterale) Stadio a siluro (espansione delle cellule, sviluppo dei cotiledoni) Stadio di maturazione (perdita di acqua, tolleranza alla disidratazione) 1 protoderma Cellula apicale Cellula basale cotiledone asse 2 3 4

Ovulo di arabidopsis con il sacco embrionale lo zigote è polarizzato

Stadi di sviluppo precoci dell’embrione di arabidopsis protoderma 8cell embrione globulare 4cell

Destino differenziativo delle due cellule del’embrione bicellulare cellula basale cellula apicale Il meristema apicale della radice ha un’origine mista

Caratteristiche cellulari dell’embriogenesi di arabidopsis

SVILUPPO POST EMBRIONALE DI ARABIDOPSIS

Il pattern embriogenico è diverso nelle monocoltiledoni Pattern più variabile tuttavia evidenziabili analoghi stadi di sviluppo Stadio globulare Stadio di Coleoptile Stadio vegetativo giovanile Stadio di maturazione Embriogenesi in riso

Embrioni maturi di mono (C) e dicotiledoni (D)

Pattern assiale Pattern radiale

Formazione del pattern assiale: Le piante esibiscono una polarità assiale nella quale organi e tessuti sono organizzati In un ordine preciso lungo un asse lineare o polarizzato Meristema apicale Ipocotile Radice Meristema radicale Cuffia Viene stabilito durante l’embriogenesi

La polarità assiale si genera già durante la prima divisione dello zigote Lo zigote si espande e diventa polarizzato esso stesso prima di dare luogo alla prima divisione La parte apicale è con citoplasma denso La parte basale contiene il vacuolo centrale Prima divisione: asimmetrica perpendicolarmente all’asse principale dello zigote Si formano 2 cellule Cellula apicale: forma tutte le strutture dell’embrione; due divisioni verticali e una orizzontale danno luogo allo stadio globulare dell’embrione (8 cellule) 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 (cuffia) Il sospensore connette l’embrione al sistema vascolare della pianta madre

La polarità assiale è chiaramente distinguibile 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

l’ipofisi contribuisce alla formazione dell’embrione: La cellula derivata dalla cellula basale più vicina all’embrione, l’ipofisi contribuisce alla formazione dell’embrione: forma la columella, cioè la parte centrale della cuffia radicale e il centro quiescente

Formazione del pattern radiale: Tessuti differenti sono organizzati secondo un pattern riconoscibile in un organo pattern radiale dall’esterno verso il centro Radici: Epidermide Cortex Cilindro vascolare (endodermide, periciclo, floema, xilema) Fusti: Protoderma (epidermide) Meristema fondamentale (cortex, endodermide) Procambio (tessuto vascolare primario, cambio vascolare)

Anche La polarità radiale si stabilisce durante l’embriogenesi ed è distinguibile già nello stadio globulare: Tre tessuti Protoderma (epidermide) Meristema fondamentale (cortex, endodermide) Procambio (tessuti vascolari, periciclo)

Formazione del pattern radiale

PATTERN FORMATION Lo sviluppo di un pattern dipende dal comportamento delle cellule il cui destino (cell fate) può dipendere da numerosi fattori. Questi fattori possono essere contenuti all’interno di una cellula, la cellula si dice allora determinata Oppure dipendere dalla posizione che la cellula occupa nell’organismo.

Meccanismi di signaling posizionale guidano l’embriogenesi Negli animali pattern riproducibile di divisioni cellulari programma di divisioni fisso per ogni cellula Nelle piante Il destino differenziativo della cellula è determinato dalla sua posizione nell’embrione Meccanismo di signaling posizionale (plasodesmi, morfogeni)

Analisi clonale mediante chimere periclinal GWG Chimera: cellule con genotipi diversi Chimere periclinali GWG: cellule L2 della doma albine Studio di divisioni cellulari spontanee anomale. Nelle chimere periclinali il colore della lamina fogliare dipende dal contributo relativo di cellule discendenti da L2 e L3 L2 albine Se per divisioni anomale cellule L2 invadono L3 (mesofillo, tessuti vascolari) saranno rintracciabili e identificabile la loro natura L1: epidermide L2: strato sottostante L3: mesofillo

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, quanto dalla sua posizione finale in un organo emergente, che determina il tipo di cellula in cui si differenzierà

Meccanismi molecolari attraverso i quali è possibile determinare il destino cellulare e quindi creare un pattern di sviluppo specifico. Divisione cellulare asimmetrica (asymmetric cell division) Comunicazione cellulare (cell-to-cell signaling) Morte cellulare o Apoptosi (PCD)

DIVISIONE ASIMMETRICA PER POLARITA INTRINSECA

DIVISIONE ASIMMETRICA PER CELL TO CELL SIGNALING

MORTE CELLULARE PROGRAMMATA (PCD) Parte essenziale del programma di sviluppo Differenziamento trachee Deiscenza antere CELL TO CELL SIGNALING (PLASMODESMI)

Morte cellulare programmata nel differenziamento di una trachea

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

AUXINA COME MORFOGENO: EVIDENZE L’auxina può indurre la formazione di embrioni da cellule somatiche L’auxina nell’embrione in sviluppo mostra gradienti di concentrazione (gene reporter) Proteine di trasporto dell’auxina nell’embrione mostrano una localizzazione asimmetrica

Visualizzazione di gradienti auxinici GENE REPORTER: l’attività di un promotore è analizzata tramite la sua fusione con un gene che codifica per una proteina che può essere facilmente visualizzabile o saggiata GUS: b glucuronidasi pianta di Arabidopsis trasformata con il gene DR5::GUS DR5 = promotore gene GH3 la cui trascrizione è promossa dal’auxina

L’asse del germoglio esibisce una polarità apice-base dipendente dal trasporto dell’auxina

Le radici crescono nella parte basale di fusti recisi di bamboo anche se invertiti

Trasporto polare di IAA: ipotesi chemiosmotica

GENI CHE CONTROLLANO LA FORMAZIONE DEL PATTERN APICALE-BASALE

ANALISI GENETICA DEL “PATTERN FORMATION” IN EMBRIONI DI ARABIDOPSIS L’Embriogenesi richiede l’espressione di geni specifici L’analisi di mutanti di Arabidopsis che non riescono a stabilire una polarità assiale o si sviluppano in maniera anomala durante la germinazione ha portato alla identificazione di geni coinvolti nella formazione del pattern assiale pattern radiale meristemi radicale e apicale

GURKE: deriva il nome dalla forma a cetriolo del mutante che è privo dei cotiledoni e del meristema apicale. Il gene codifica per una acetil-CoA carbossilasi FACKEL: il mutante manca di ipocotile. Il gene codifica per una sterolo C14 reduttasi MONOPTEROS (MP): Necessario per la formazione degli elementi basali ipocotile e radice. Il gene codifica per un fattore di risposta all’auxina (ARF) GNOM (GN): richiesto per la formazione degli elementi terminali apicale e basale codifica per un fattore di scambio di guanin nucleotidi (GEF):

Gli ovuli che si sviluppano Nell’ovario contengono Il gametofito femminile (sacco embrionale) il quale è composto da poche cellule tra cui la cellula uovo che verrà fecondata e i nuclei polari che fecondati a loro volta danno origine all’endosperma