L’EMBRIOGENESI IN ARABIDOPSIS
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
1)
2)
3)
4)
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
4cell
8cell
embrione
globulare
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
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