Sviluppo e Differenziamento Delle Piante

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Sviluppo e Differenziamento Delle Piante
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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
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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
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DEFINIZIONI
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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 lasimmetria? Come da una
singola cellula iniziale, con poche divisioni si
arriva ad una progenie di cellule con proprietà
diverse le une dalle altre?
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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)
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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 Control
lo localizzato della loro attività
CONTROLLO SPAZIALE E TEMPORALE DELLESPRESSIONE
GENICA
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STADIO INIZIALE seguito da uno stadio successivo
in cui si determinano le IDENTITA delle varie
parti dellEMBRIONE, dal quale si formeranno le
diverse parti dellorganismo adulto Geni
regolatori GENI OMEOTICI (mutazioni causano
lassenza 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 lespressione di un set
genico dello stadio successivo
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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 allorganismo adulto
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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 lintera pianta
(embriogenesi somatica)
11
Il movimento di cellule che è un aspetto
importante dellembriogenesi animale, nelle
piante è fortemente limitato dalla presenza
della parete cellulare. Capacità di divisione
cellulare ristretta alle ZONE MERISTEMATICHEatti
vità meristematica associata anche al
differenziamento cellulare
12
Struttura delle piante
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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
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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
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• 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

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Organizzazione dei tre sistemi di tessuti nel
corpo della pianta
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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
allinizio dellispessimento e dopo la caduta
dellepidermide
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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
dellepidermide, con funzione di supporto
meccanico. Sclerenchima cellule morte con
pareti ispessite e lignificate. Formano fibre
che sostengono e proteggono il floema nei fusti
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Tessuti vascolari Xilema elementi dei vasi
(tracheidi), cellule allungate, morte con pareti
ispessite e lignificateTrasporto 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.
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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 lembriogenesi
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• Tutte le piante a seme passano attraverso tre
  stadi
• di sviluppo dello sporofita
• EMBRIOGENESI
• SVILUPPO VEGETATIVO
• SVILUPPO RIPRODUTTIVO

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Ciclo vitale di una pianta a fiore
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La fase vegetativa dello sviluppo della pianta
comincia con lembriogenesi 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 dellinvecchiamento
quando un organo è vecchio viene sostituito da
uno nuovo abscissione fogliare
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I Meristemi
Meristema apicale del germoglio (SAM)
allapice 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
allarrivo di uno stimolo ormonale Nellinsieme
il meristema apicale (SAM) e i primordi formano
la gemma apicale Stimoli ambientali, in primo
luogo luce e temperatura regolano lattività 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, lesatta posizione in cui si
formano gli organi (primordio fogliare) e la
velocità di crescita dellorgano
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Meristema apicale della radice (RAM) Il
meristema apicale della radice è presente
allapice 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
dellauxina. Come nei fusti, il pattern di
sviluppo è quello di continuo accrescimento
della radice e di formazione di RAM.
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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
lespressione 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)
27
Gli stimoli ambientali e gli ormoni attivano
programmi genetici che regolano lo sviluppo
delle piante
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Specifici stimoli ambientali sono richiesti per
far procedere una pianta da uno stadio di
sviluppo al successivo Interruzione
dormienza
luce Deeziolatura

Fioritura
fotoperiodo

vernalizzazione



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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. Nellovulo si forma una
singola cellula uovo Nel tubetto pollinico sono
presenti due cellule spermatiche La
fecondazione produce lo zigote diploide che si
sviluppa nellembrione, parte del seme. Un
secondo evento di fertilizzazione produrrà il
nucleo polare da cui si genera lendosperma del
seme. La formazione dellembrione e del seme
avviene nei tessuti (ovario) della pianta madre.
30

• EMBRIOGENESI il processo in generale
• Dopo la fecondazione, lo zigote va incontro a
  numerose divisioni fino a formare lembrione
• La crescita dellembrione ha luogo dentro lovulo
  in un mezzo ricco di nutrienti
• lendosperma liquido (crescita eterotrofica)
• Lendosperma sintetizza i nutrienti da saccarosio
  e aminoacidi forniti dalla pianta madre.
• Mano a mano che si accresce, lembrione
  acquisisce capacità biosintetiche ma rimane
• dipendente dal rifornimento di saccarosio e
  aminoacidi dalla pianta madre.
• aspetto chiave formazione dellasse embrionale
• SAM e RAM situati ai poli opposti dellembrione
• In quale stadio avviene il differenziamento?
• studi sullo stadio a 16 cellule di Arabidopsis
  thaliana
• formazione del seme
• Formato lembrione, 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

31

• Dallo zigote al seme maturo
• Attivazione di complessi programmi genetici
• Divisione cellulare, formazione di tessuti ed
  organi dellembrione
• Espansione degli organi di riserva e biosintesi
  dei composti di riserva
• Resistenza al dessiccamento (accumulo di
  proteine, zuccheri e oligosaccaridi
• idrofilici con funzione protettiva)

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• EMBRIOGENESI
• Dà inizio allo sviluppo della pianta
• Comincia con lunione 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.
• Lembrione 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 dellendosperma,
  
• del seme e del frutto. Nelle angiosperme
  oltre alla formazione dello zigote cè un secondo
  evento
• di fertilizzazione in cui unaltra cellula
  spermatica si unisce con due nuclei polari e da
  luogo
• allendosperma triploide
• LEmbriogenesi ha luogo nel sacco embrionale
  allinterno dellovulo.
• Altre strutture associate allovulo danno
  luogo alle altre parti del seme.

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• 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
34
(No Transcript)
35

• LEmbriogenesi stabilisce le caratteristiche
  essenziali della pianta adulta
• Nelle piante, diversamente dagli animali
  lembriogenesi non genera direttamente i tessuti
• e gli organi delladulto
• 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 lembriogenesi determina la formazione
  dei meristemi primari,
• i quali dopo la germinazione daranno luogo agli
  organi e ai tessuti della pianta adulta.

36
Sviluppo post embrionale di arabidopsis
37
Pattern assiale
Pattern radiale
38

• 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 lembriogenesi
• 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)

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Ovulo di arabidopsis con il sacco embrionale lo
zigote è polarizzato
40
Caratteristiche cellulari dellembriogenesi di
arabidopsis
41
Formazione del pattern radiale Tessuti
differenti sono organizzati secondo un pattern
riconoscibile in un organo Fusti, radici
pattern radiale dallesterno verso il
centro Epidermide Cortex Cilindro vascolare
(endodermide, periciclo, floema,
xilema) Protoderma (epidermide) Meristema
fondamentale (cortex, endodermide) Procambio
(tessuto vascolare primario, cambio vascolare)
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• Sviluppo dellembrione (Arabidopsis)
• 4 stadi morfologici
• 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
4
2
3
43
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
44
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 allasse
principale dello zigote Si formano 2
cellule Cellula apicale forma tutte le
strutture dellembrione due divisioni verticali
e una orizzontale danno luogo allo stadio
globulare dellembrione (8 cellule) Cellula
basale divisioni orizzontali perpendicolari
allasse principale si forma un filamento da 6
a 9 cellule (sospensore extraembrionale). La
prima di queste cellule formerà invece lipofisi
che è parte dellembrione (cuffia) Il sospensore
connette lembrione al sistema vascolare della
pianta madre
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• 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 lipocotile, la radice e
  la maggior parte del meristema
• radicale
• Lipofisi forma il resto del meristema radicale

46
La cellula derivata dalla cellula basale più
vicina allembrione, lipofisi contribuisce alla
formazione dellembrione forma la columella,
cioè la parte centrale della cuffia radicale e
il centro quiescente
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• Anche La polarità radiale si stabilisce durante
  lembriogenesi ed
• è distinguibile già nello stadio globulare
• Tre tessuti
• Protoderma (epidermide)
• Meristema fondamentale (cortex, endodermide)
• Procambio (tessuti vascolari, periciclo)

48
Formazione del pattern radiale
49
Meccanismi di signaling posizionale guidano
lembriogenesi 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
nellembrione
50
(No Transcript)
51
MORFOGENI
Negli animali segnali chimici svolgono un ruolo
determinante durante lembriogenesi MORFOGENI
Informazione posizionale mediante
gradienti di concentrazione Nelle piante ci
sono evidenze che sia LAUXINA il principale
morfogeno durante lembriogenesi
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• AUXINA COME MORFOGENO EVIDENZE
• Lauxina può indurre la formazione di embrioni da
  cellule somatiche
• Lauxina nellembrione in sviluppo mostra
  gradienti di concentrazione
• (gene reporter)
• Proteine di trasporto dellauxina nellembrione
  mostrano una localizzazione
• asimmetrica

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pianta Arabidopsis trasformata con il gene
DR5GUS DR5 promotore gene GH3
54
(No Transcript)
55
(No Transcript)
56
(No Transcript)
57
(No Transcript)
58
GENI CHE CONTROLLANO LA FORMAZIONE DEL PATTERN
APICALE-BASALE
59
Lanalisi genetica del pattern formation in
embrioni di Arabidopsis ha evidenziato che

• LEmbriogenesi richiede lespressione di geni
  specifici
• Lanalisi 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

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(No Transcript)
61
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 allauxina (ARF) GNOM
(GN) richiesto per la formazione degli elementi
terminali apicale e basale Codifica per un
fattore di scambio di guanin nucleotidi (GEF)