Appunti lezioni Biologia molecolare delle piante

Il meccanismo biochimico che evita l'autoimpollinazione

Il meccanismo biochimico che evita l'autoimpollinazione, regola e permette all'organismo il riconoscimento del polline self. La pianta, riconoscendo lo stesso genotipo, impedisce la germinazione del tubetto pollinico e impedisce l'auto-fecondazione.

Il riconoscimento self/non self è controllato da un singolo locus multiallelico, il Locus S.

Il locus S contiene due o più geni, che codificano due proteine una per il determinante maschile (granulo pollinico) e l'altro per il determinante femminile (pistillo). Essi sono altamente polimorfi e le varianti di questi complessi di geni sono chiamati S aplotipi. Il riconoscimento del self si verifica quando il polline e il pistillo esprimono lo stesso aplotipo.

La caratteristica fondamentale di questo Locus per i determinanti che codifica è che non vi sia ricombinazione tra essi, infatti il complesso multigenico nel locus S viene ereditato come un'unità segregante.

• se le due proteine sono dello stesso aplotipo ci sarà auto-incompatibilità.
• Se per esempio il polline è S1 e anche il pistillo avrà il determinte S1 non si avrà l'autoimpollinazione.

TIPOLOGIE DI AUTOINCOMPATIBILITÀ

Gametofitica

• È la forma più comune di Auto-Incompatibilità.
• L'incompatibilità è controllata dal genotipo aploide del polline (gametofito n=aploide).
• Il polline non crescerà nel pistillo che ha lo stesso genotipo.

dell'ovario) ha un aplotipo uguale al genotipo del polline, che è genotipo aploide; quindi il polline esprime solo un determinante di quell'aplotipo. Ogni individuo ha due aplotipi, quindi un organismo può essere S1 e S2. Per esempio, se la pianta non può ricevere il polline S1 e/o S2 di se stessa, quando arriva il polline di un'altra pianta che presenta l'aplotipo S1 S3, il polline S1 non potrà crescere nel pistillo di questa pianta, ma può crescere in quella del polline S3. Se la pianta riceve i pollini S3 e S4, allora può essere fecondata da entrambi. A seconda che la pianta sia diploide e triploide, ha due o tre aplotipi, non vale però il discorso per le piante poliploidi perché possono avere più determinanti.

GSI 1 - Solonaceae, Rosaceae e Scrophulariaceae

In questo caso l'S-Locus contiene i due Determinanti: SLF/SFB maschile e S-RNase femminile. Nell'S-locus i determinanti sono almeno due: uno

femminile che è un RNasi e si esprime all'interno del tessuto femminile (stigma) ed un determinante maschile che è una proteina coinvolta della degradazione proteica, sempre nell'ubiquitinazione.

• Se il polline è self, l'RNasi può entrare nel tubetto pollinico e degradare l'RNA che sta crescendo nel tubetto pollinico. Di conseguenza si ha un blocco della crescita e la fecondazione non avviene.
• Nella fecondazione incrociata, ovvero quando il polline è non-self, il determinante maschile, che fa parte di un complesso di ubiquitinazione, degrada l'RNasi e il tubetto pollinico cresce.

GSI 2 - Papaveraceae

Il meccanismo di Auto-Incompatibilità è meno conosciuto rispetto a quelli precedenti.

La proteina determinante femminile è una proteina (15kDa) detta S-Protein

Il determinante maschile invece è indicato come SBP protein.

• Quando il polline è self, la SBP protein interagisce con

S-protein e si attiva un canale del calcio all'interno del tubetto pollinico. Il gradiente di concentrazione del calcio è molto ampio tra l'esterno e l'interno e infatti, quando si attiva il canale del calcio, si ha una forte entrata di Ca nel tubetto pollinico. Questa ondata di calcio all'interno del tubetto può portare a diversi esiti:

1. Attivare delle chinasi che possono portare ad un processo di morte programmata del granulo pollinico
2. L'ingresso di calcio all'interno del tubetto compromette l'omeostasi del calcio che regola la polimerizzazione del citoscheletro necessaria alla crescita del tubetto pollinico

Il tubetto pollinico solitamente cresce mediante polimerizzazione del citoscheletro con un meccanismo definito ad "ondate". Queste onde di polimerizzazione sono sincrone con dei flussi di calcio che entrano da dei canali del calcio situati sulla punta del tubetto. In presenza di un processo di SI invece, si apre

Un canale del calcio all'interno del tubetto e non sulla punta, che scombina la regolarità del calcio già presente all'interno, compromettendo la polimerizzazione del citoscheletro.

Sporofitica

• L'incompatibilità del polline è determinata dal genotipo diploide della pianta che lo produce
• Meno comune della GSI
• L'incompatibilità è controllata dal genotipo diploide dello sporofito (2n)
• Il polline non germinerà sullo stigma di un fiore che contiene uno dei due alleli del parentale che ha prodotto il polline.

L'incompatibilità del polline è determinata direttamente dal genotipo diploide della pianta che produce il polline. Nell'autoincompatibilità di tipo sporofitico è il genoma dello sporofito (2n) genitore del polline che determina il risultato di rigetto o accettazione.

Per esempio, se la pianta non può ricevere il polline S1 e/o S2 di se stessa, quando arriva

Il polline di un'altra pianta che presenta genotipo diploide S1 e S3, non potrà essere fecondata e ci sarà SI perché in questo caso l'auto-incompatibilità dipende dal genotipo diploide della pianta che genera il polline (incompatibilità parziale). Se arriva polline S3 e S4 può tranquillamente essere fecondata perché il genotipo è completamente diverso. SSI 1 - Brassicaceae Nelle Brassicaceae l'S-Locus contiene diversi determinanti: - determinante maschile SP11 (espresso nel polline) e determinante femminile SRK (che si esprime sul pistillo). - SRK è un recettore di membrana chinasi, che quando riconosce il determinante SP11-Self va a fosforilare la proteina ARC1, componente fondamentale di un complesso di ubiquitinizzazione. - La proteina ARC1, una volta fosforilata, andrà ad ubiquitinare un'altra proteina presente al livello del pistillo, che prende il nome di Exo70A1.

La proteina Exo70A1 permette l'esocitosi di vescicole al livello del pistillo essenziali per la crescita del tubetto pollinico.

• Ciò significa che se l'esocitosi non avviene, il tubetto pollinico non può crescere.
• L'esocitosi è infatti impedita quando Exo70A1 è ubiquitinato, ovvero quando è in funzione ARC1.
• ARC1 funziona solo quando è fosforilato da SRK, quindi solo dopo legame con un determinante maschile self.
• Se il determinante maschile è non-self, questo non è in grado di attivare SRK, quindi ARC1 non viene fosforilato ed Exo70A1 non viene ubiquitinato: ciò favorisce l'esocitosi delle vescicole che rilasciano sostanze in grado di permettere la crescita del tubetto pollinico.

L'autoincompatibilità ha come scopo quello di evitare l'autoincrocio, ma non ha nulla a che fare con la sterilità, ovvero l'impossibilità di produrre gameti funzionali.

un altro processo. MASCHIOSTERILITÀ

Le piante maschio sterili non sono in grado di produrre gameti maschili (polline) funzionali. A differenza della SI, la MS non è un meccanismo regolare di controllo dell’ibridismo in natura, ma si presenta sporadicamente nelle popolazioni vegetali.

TIPOLOGIE DI MS

• Nucleare
  • dipende solo da geni nucleari
  • Controllata da un singolo gene nucleare allo stato recessivo (ms).
  • Il fenotipo maschiosterile è omozigote recessivo (ms/ms)
  • Gli eterozigoti hanno il 100% di polline fertile
    • MsMs: maschio fertile omozigote
    • msms: maschio sterile omozigote
    • Msms: maschio fertile eterozigote
  • Fenotipo: assenza degli stami, deformazione delle antere, deregolazione della deiescenza (il fenomeno che riguarda frutti o antere, che una volta giunti a maturità si aprono spontaneamente per lasciare uscire il proprio contenuto). Alterazione dei processi di sporogenesi e gametogenesi

La MS è un carattere che può

essere mantenuto sulla base di un semplice reincrocio (piante sterili con piante fertili eterozigoti): come maschio si usa Msms e come porta seme il maschio sterile msms.

Msms x msms = 50% msms + 50% Msms

La maschio sterilità è un carattere importante per fare breeding: il maschio sterile è un "porta seme", non si può autofecondare quindi incrociandolo con un'altra pianta si forma un ibrido. Gli ibridi si possono fare anche artificialmente "masculando" la pianta, ovvero togliendo il fiore dalla cima della pianta e raccogliendo poi una pianta ibrida.

Il maschio sterile fa risparmiare lavoro, e quindi un risparmio economico. Altro vantaggio della pianta maschio sterile è che non c'è dispersione del carattere di una pianta OGM, perché non c'è dispersione del polline stesso.

MS Citoplasmatica

• risulta dall'interazione di fattori citoplasmatici e nucleari
• È un altro tipo di sterilità

non rispetta le regole Mendeliane.

Questo tipo di maschio sterilità è un carattere ad eredità materna riscontrabile in molte specie vegetali diverse, trasferito come carattere dominante alla progenie.

Le piante maschio sterili non sono in grado di produrre gameti maschili (polline) funzionali, ma presentano fertilità femminile inalterata.

Le piante maschio sterili possiedono un fattore citoplasmatico di sterilità e possono riprodurre seme solo ricorrendo a piante impollinatrici con citoplasma normale.

La conservazione di una linea sterile dipende dalla disponibilità di un impollinatore fertile.

Il fenomeno della CMS è stato sfruttato dai genetisti per produrre linee ibride in numerose specie coltivate.

Ogni collezione di semi raccolta da un pianta maschio sterile deriva da fecondazione incrociata (vigore dell'ibrido)

Il primo tra i Maschio Sterili Citosolici identificati è una particolare

varietà di mais chiamata CMS-T. Questa varietà