Sviluppo e Differenziamento Delle
Piante
VENERDI’
15-16 aula 8
MERCOLEDI’ 10-12
aula 8
Dal 12 Marzo al 1 Giugno
Prof. Mauro Marra stanza 349
Libri di testo: 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 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
Controllo attraverso i fattori di trascrizione
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
Meccanismi cellulari possono essere diversi in specie diverse
ma principi di base (drosophila) validi in generale
Una cascata di eventi regolativi determina il pattern appropriato
di espressione genica che porta all’organismo adulto
PIANTE: Differenze rispetto agli animali nel pattern 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)
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 (stomi)
nelle foglie e 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.
Sviluppo e differenziamento
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
Tutte le piante a seme passano attraverso tre stadi
di sviluppo dello sporofita
EMBRIOGENESI
SVILUPPO VEGETATIVO
SVILUPPO RIPRODUTTIVO
Ciclo vitale di una
pianta a fiore
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
abscissione fogliare
I Meristemi
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
luce
Deeziolatura
Fioritura
fotoperiodo
vernalizzazione
Nel primo stadio di sviluppo, dalla cellula
uovo fecondata si origina il seme
Nelle piante, a differenza degli animali, gli organi riproduttivi
maschili e femminili si trovano sullo stesso individuo
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
•In quale stadio avviene il differenziamento?
studi sullo stadio a 16 cellule di Arabidopsis thaliana
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 al dessiccamento (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 la gran parte
dei tessuti, anche se alcuni di questi sono presenti in forme più rudimentali.
 La fecondazione da 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 fertilizzazione in cui un’altra cellula spermatica si unisce con due nuclei polari e da 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.
Arabidopsis thaliana
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
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
(dicotiledone)
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.
Sviluppo post embrionale di
arabidopsis
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
Ogni segmento a sua volta esibisce una polarità con caratteristiche fisiologiche distinte
tra parte basale e apicale
(radici avventizie: si sviluppano dalla estremità basale dei fusti)
Ovulo di arabidopsis con il sacco embrionale
lo zigote è polarizzato
Caratteristiche cellulari dell’embriogenesi di arabidopsis
Formazione del pattern radiale:
Tessuti differenti sono organizzati secondo un pattern riconoscibile in un organo
Fusti, radici: pattern radiale dall’esterno verso il centro
Epidermide
Cortex
Cilindro vascolare (endodermide,
periciclo, floema, xilema)
Protoderma
(epidermide)
Meristema fondamentale
(cortex, endodermide)
Procambio
(tessuto vascolare primario, cambio vascolare)
Sviluppo dell’embrione (Arabidopsis)
4 stadi morfologici
1)
2)
3)
4)
Stadio globulare
Stadio a cuore (cotiledoni, simmetria bilaterale)
Stadio a siluro (espansione delle cellule, sviluppo dei cotiledoni
Stadio di maturazione (perdita di acqua, tolleranza al dessiccamento
1
protoderma
Cellula apicale
Cellula basale
cotiledone
asse
2
3
4
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
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
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
Meccanismi di signaling posizionale guidano l’embriogenesi
Negli animali
Pattern riproducibile di divisioni cellulari
programma di divisioni fisso per ogni cellula
Nelle piante
In piante diverse da Arabidopsis pattern di divisioni cellulari più variabili
Probabilmente operante un sistema di signaling posizione dipendente
Il destino differenziativo della cellula determinato dalla sua
posizione nell’embrione
MORFOGENI
Negli animali segnali chimici svolgono un ruolo determinante
durante l’embriogenesi
MORFOGENI
Informazione posizionale mediante gradienti di concentrazione
Nelle piante ci sono evidenze che sia L’AUXINA
il principale morfogeno durante l’embriogenesi
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
pianta Arabidopsis trasformata con il
gene DR5::GUS
DR5 = promotore gene GH3
GENI CHE CONTROLLANO LA
FORMAZIONE DEL PATTERN
APICALE-BASALE
L’analisi genetica del “pattern formation” in embrioni di Arabidopsis
ha evidenziato che:
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):