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) Stadio globulare (divisioni cellula apicale dello zigote asimmetrico)2) Stadio a cuore (cotiledoni, simmetria bilaterale)3) Stadio a siluro (espansione delle cellule, sviluppo dei cotiledoni)4) Stadio di maturazione (perdita di acqua, tolleranza alla disidratazione)

1

2 3 4

Cellula apicale

Cellula basale

protoderma

asse

cotiledone

Ovulo di arabidopsis con il sacco embrionale

lo zigote è polarizzato

Stadi di sviluppo precoci dell’embrione di arabidopsis

4cell 8cell

protoderma

embrioneglobulare

Destino differenziativodelle due cellule del’embrionebicellulare

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 globulareStadio di ColeoptileStadio vegetativo giovanileStadio 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 organizzatiIn 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 densoLa parte basale contiene il vacuolo centrale

Prima divisione: asimmetrica perpendicolarmenteall’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 radicalee 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:EpidermideCortexCilindro 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

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.

PATTERN FORMATION

Meccanismi di signaling posizionale guidano l’embriogenesi

Negli animalipattern riproducibile di divisioni cellulariprogramma 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 GWGChimera: cellule con genotipi diversi

Chimere periclinali GWG: cellule L2 della doma albine

Studio di divisioni cellulari spontanee anomale.

Nelle chimere periclinali il colore della laminafogliare 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: epidermideL2: strato sottostanteL3: mesofillo

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

INFORMAZIONE POSIZIONALE

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-cellsignaling)

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 disviluppo

Differenziamento trachee

Deiscenza antere

CELL TO CELL SIGNALING

(PLASMODESMI)

Morte cellulare programmata nel differenziamento di una trachea

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

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 di Arabidopsis trasformata con il gene DR5::GUS

DR5 = promotore gene GH3 la cui trascrizione è promossa dal’auxina

Visualizzazione di gradienti auxinici

GENE REPORTER: l’attività di un promotore è analizzata tramitela sua fusione con un gene che codifica per una proteina che può essere facilmente visualizzabile o saggiataGUS: glucuronidasi

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

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 germinazioneha portato alla identificazione di geni coinvolti nella formazione del

pattern assiale

pattern radiale

meristemi radicale e apicale

ANALISI GENETICA DEL “PATTERN FORMATION” IN EMBRIONIDI ARABIDOPSIS

GURKE: deriva il nome dalla forma a cetriolo del mutante che è privo dei cotiledoni e del meristema apicale. Il gene codifica per unaacetil-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 basalecodifica per un fattore di scambio di guanin nucleotidi (GEF):

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