Programma del modulo II (docente M.M.Altamura) del corso di: Plasticità cellulare e dinamiche del differenziamento nelle piante “Elementi di Biologia dello.

Presentazione sul tema: "Programma del modulo II (docente M.M.Altamura) del corso di: Plasticità cellulare e dinamiche del differenziamento nelle piante “Elementi di Biologia dello."— Transcript della presentazione:

1 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)

2 Obiettivo del corso: Far conoscere metodologie avanzate riguardanti le modalità di realizzazione del differenziamento delle piante e delle sue dinamiche.

3 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.

4 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.

5 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

6 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.

7 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.

8 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.

9 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 preceduto dalla DETERMINAZIONE cellulare.

10 La Determinazione si stabilisce quando cellule appena divise intraprendono un definito programma differenziativo (queste sono le cellule derivate). Il Differenziamento comporta l’acquisizione di 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

11 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

12 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.

13 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

14 Meccanismi genetici alla base del differenziamento cellulare:  Endoreduplicazione cromosomica (raddoppiamento del materiale genetico del nucleo non seguito da citodieresi) A seguire:  Amplificazione genica mirata.

15 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.

16 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.

17 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.

18 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.

19 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

20 La multipotenza è alla base della capacità di riprodursi per via vegetativa che è comune a tutte le piante.

21 Il Seme e l’embrione: l’origine del differenziamento della pianta

22 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.

23 Perianzio

24 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.

25 Macrosporogenesi e Macrogametogenesi Megagametofito MegasporogenesiMegaspora 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

26 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. MEGAGAMETOGENESIMEGAGAMETOFITO

27 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

28 Cellula madre delle macrospore Tegumenti dell’ovulo Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

29 microsporogenesi/microgametogenesi macrosporogenesi/macrogametogenesi Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

30 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.

31 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.

32 Le due cellule sinergidi sono importanti per attrarre il tubetto pollinico Cellula uovo Se entrambe le cellule sinergidi vengono eliminate il tubetto pollinico non riesce ad entrare nel sacco embrionale Nelle Angiosperme anche i due nuclei centrali del sacco embrionale vengono fecondati da un gamete maschile e danno origine all’endosperma secondario o albume Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

33 Dall’embrione del seme, alla plantula, alla pianta

34 wt Plantula

35 Foglie giovanili Foglie mature

36 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.

37 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.

38 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

39 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

40 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

41 Esiste un esempio parallelo nel FIORE Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

42 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

43 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

44 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

45 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

46 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

47 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.

48 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.

49 La radice Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

50 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

51 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

52 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.

53 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) Allora? Nella pianta, l’origine cellulare non è poi così importante!!!!!

54 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

55 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.

56 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.

57 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 dorso- ventrale.

58 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

59 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).

60 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.

61 Foglie giovanili Foglie mature

62 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.

63 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.

64 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.

65 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.

66 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.

67 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.

68 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?

69 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.

70 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. 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. Processo della doppia fecondazione.

71 Embrione di monocotiledone Embrione di dicotiledone Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

72 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.

73 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!!

74  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. Il successo del seme è dovuto a:

75 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.

76 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.

77 Nell’embrione viene definito il piano di organizzazione complessiva del corpo. 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.

78 Negli animali durante l’embriogenesi vengono definiti gli assi di polarità (asse cefalo-caudale, asse dorso- ventrale 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).

79 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

80 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.

81 Le fasi precoci dell’embriogenesi definiscono quindi il piano generale dell’organizzazione della pianta. zigote

82 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).

83 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 due cellule può essere molto diverso.

84 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.

85 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

86 SOSPENSORE Struttura alla base dell’embrione che spinge l’embrione stesso nel tessuto ricco di sostanze di riserva.

87 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.

88 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.

89 Stadi di sviluppo precoci dell’embrione di arabidopsis 4cell 8cell protoderma embrione globulare Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

90 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.

91 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.

92 Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

93 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)

94 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)

95 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 allunga definendo completamente l’asse longitudinale. 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.

96 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

97 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)

98 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 MORFOGENI Auxine naturali

99 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

100 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.

101 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.

102 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.

103 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 apicale- basale.

104 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.

105 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. Infatti: 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.

106 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).

107 Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

108 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.

109 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.

110 Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

111 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).

112 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

113 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.

114 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.

115 In questo modo embrioni trasformati con il costrutto DR5::GFP esprimono il gene reporter solo nei tessuti in cui è presente l’auxina libera. Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

116 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

117 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

118 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.

119 La comparsa dei cotiledoni è preceduta dall’espressione di geni responsabili della determinazione dei confini degli organi. L’espressione di questi geni è evidente già nell’embrione globulare. 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.

120 CUC – CUP SHAPED COTILEDON Precoce simmetria bilaterale ma solo molecolare Necessari per l’espressione di STM 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 cotiledoni. Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

121 Quindi l’espressione di CUC 1 e 2 e STM individuano il confine fra i due cotiledoni appena prima della loro comparsa. STM ha il compito di mantenere nel tempo la condizione meristematica delle cellule nella regione centrale del meristema.

122 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

123 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.

124 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).

125 I mutanti hobbit mostrano una riduzione nella sensibilità all’auxina (IAA) e accumulano la proteina AXR3/IAA17, repressore della risposta all’auxina.

126 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).

127 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? âperdita della capacità di dividersi ânotevole aumento dimensionale (crescita per distensione) âaccentuarsi dei caratteri propri della cellula vegetale (Parete, vacuoli, plastidi) âspecializzazione per una determinata funzione

128 La parte dell’embrione che dopo la germinazione del seme riprende per prima a crescere è la radice. Successivamente si allunga l’ipocotile (veloce accrescimento per distensione). 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)

129 Prime fasi della germinazione Assorbimento di acquaRiattivazione del metabolismo 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. Ripresa della crescita 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.

130 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.

131

132 Domande 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?