Organismi Modello

MODELLI VEGETALI

Arabidopsis thaliana “la pianta”

Arabidopsis thaliana è una pianta erbacea appartenente alla famiglia delle Brassicaceae, utilizzata come

organismo modello in biologia vegetale. Le sue caratteristiche distintive includono un ciclo vitale breve di

circa 6-8 settimane, un genoma completamente sequenziato e la capacità di rispondere agli stimoli

ambientali. È ampiamente studiata per comprendere i

processi di sviluppo delle piante, la genetica vegetale e le

risposte allo stress. La sua importanza come organismo

modello deriva dalla sua facilità di coltivazione in

laboratorio e dalla sua rilevanza per la ricerca biologica.

• Regno: Plantae.

• Phylum: Angiospermae (Magnoliophyta).

• Classe: Eudicotyledoneae (Magnoliopsida).

• Ordine: Brassicales.

• Famiglia: Brassicaceae (o Cruciferae).

• Genere: Arabidopsis.

• Specie: Arabidopsis thaliana.

Arabidopsis appartiene alla famiglia delle Brassicaceae.

È una famiglia che comprende elementi noti per l’alimentazione dell’uomo: cavoli, verze, cavolfiori, rape,

ravanelli ect etc…

Non è di interesse alimentare o ornamentale ed è considerata essere una pianta, erbacea ed arbustiva,

infestante. Manca quindi l’immediato interesse commerciale, forte, per esempio, nel pollo, nel mais e nel

tabacco, che la promuova come oggetto di studio.

Le Brassicaceae sono una famiglia di piante angiosperme, comunemente conosciute come le crucifere.

Questa famiglia include molte piante erbacee e arbustive, molte delle quali sono utilizzate come ortaggi

(come cavoli, broccoli, cavolfiori) e come piante ornamentali (come le viole). Le angiosperme sono piante

che producono fiori e semi protetti da un ovario.

Le piante si originano grossomodo mezzo miliardo di anni fa, a partire dalle alghe verdi monocellulari. Si

separano presto dalle carofite.

Vi sono piante briofite, le prime a lasciare il mondo acquatico e a colonizzare l’ambiente subaereo,

rappresentate comunemente dal muschio, il loro ciclo vitale rimane fortemente legato alla presenza

dell’acqua, veicolo della loro riproduzione, e piante tracheofite. In questo secondo gruppo di piante, le più

antiche sono le pteridofite (felci, che sono i primi organismi vegetali con un sistema vascolare. Rimangono

vincolate agli ambienti umidi).

Le piante che si svincolano ancora di più dalla dipendenza dall’acqua sono quelle a seme: le spermatofite.

Evlvono il seme come forma di resistenza alla disidratazione. Tra queste si distinguono le gimnosperme,

conifere più antiche, e le angiosperme. Le prime sono dette “a seme nudo”, mentre le seconde, “a fiore”,

hanno un’enorme radiazione: nel giro di pochissimo tempo (centinaia di milioni di anni) si sono diversificate

ampiamente.

A. thaliana fa da modello per le angiosperme, ma, per alcuni meccanismi generali, anche per le altre piante.

La pianta è di piccole dimensioni (10-50 cm) e ha la classica organizzazione radice-

fusto-foglie-fiori. I fiori maturi presentano 4 petali a croce e 6 sepali. Internamente si

trova la porzione riproduttiva del fiore: stami (porzioni maschili) e, centralmente, il

carpello (porzione femminile). La pianta produce un bacello, per il contenimento dei

semi, chiamato siliqua.

I geni che regolano e controllano la formazione di questa struttura organizzata sono di

tipo omeotico. Sono sequenze geniche di grande interesse, perché generale ed

estendibile anche ad altre piante a fiore.

Storia:

• 1577: Scoperta dal medico tedesco Johannes Thal che la chiamò Pilosella siliquosa.

• 1841: Rinominata dal biologo tedesco Gustav Heynhold Arabidopsis thaliana.

• 1907: Laibach identificò il numero corretto di cromosomi.

• 1943: Laibach discusse le ragioni per utilizzare A. thaliana come organismo modello.

• 1945: Prima collezione di mutanti, prodotta da Reinholz, uno studente di Laibach.

• 1965: Prima Conferenza Internazionale su Arabidopsis.

• 1986: Sequenza del primo gene e scoperta di Agrobaterium tumefacem.

• 2000: Completamento della sequenza genomica.

• 2004: Release finale del genoma TIGR (version TIGR 5.0, March 2004).

• 2005: Prima release del genoma TAIR (version TAIR 6.0, Nov 2005).

A. tumefaciens è in grado di trasferire parte del suo DNA (chiamato plasmide Ti) nelle

cellule delle piante ospiti. Questo DNA può integrarsi nel genoma della pianta e

causare la formazione di galle o tumori vegetali. Questa capacità è stata sfruttata per lo

sviluppo di tecniche di ingegneria genetica delle piante, come la trasformazione

genetica, che consente agli scienziati di introdurre geni specifici nelle piante per scopi

di ricerca o applicazioni pratiche.

I vantaggi di Arabidopsis thaliana:

• Piccola taglia. • Breve ciclo vitale.

• Elevata produzione di semi di piccole dimensioni. • Facilmente mutagenizzabile.

• Genoma relativamente piccolo. • Facile da trasformare.

La piccola taglia, limitata a 10-50 cm, permette che la pianta venga coltivata su terriccio in camera

termostatata o in serre. I vasi utilizzati sono di piccole dimensioni e i terricci per la coltura, di varie tipologie,

permettono di confrontare facilmente differenti genotipi.

Un’alternativa di più facile controllo prevede che la coltura sia svolta in agar: la sua composizione è meno

variabile e quindi più prevedibile. Addizionare o sottrarre fattori al medium di agar è più semplice e, quindi,

realizzare colture comparative con substrati di coltivazione diversi risulta più preciso.

Il ciclo vitale è breve: la pianta sopravvive 1-2 anni. Anche il ciclo riproduttivo è rapido: dalle gametogenesi

e fecondazione dello zigote alla crescita ad adulto, passano circa 6 settimane.

“Al tempo zero” i gameti maschili e femminili (pollini

e ovuli) si incontrano nella fecondazione. Nel giro di

due settimane si verifica l’embriogenesi precoce e,

nella settimana successiva, prende forma il seme,

struttura di resistenza.

I semi sono dispersi e potranno quindi germinare nel

terreno: la plantula, con due foglioline embrionali

(cotiledoni), potrà germogliare.

Dalla plantula al raggiungimento della struttura adulta

trascorrono circa 2 settimane. L’individuo potrà di

nuovo produrre gameti di tipo maschile e femminile.

Poiché gli individui sono spesso ermafroditi,

l’autofecondazione all’interno di uno stesso fiore è

molto comune. È possibile anche l’impollinazione

crociata, ma è meno comune.

Questa modalità riproduttiva risulta utile quando si

vuole mantenere pura una determinata linea mutante.

L’elevatissimo numero di semi ha un’elevatissima germinabilità: la performance del seme disperso è

ottima. Una sola pianta di Arabidopsis può produrre fino a 10,000 semi, il che permette di allestire con

relativa facilità esperimenti di mutagenesi.

La piccola dimensione dei semi (0,5 mm) permette di fare screening di centinaia di semi in piastre Petri

senza occupare molto spazio permettendo così di identificare mutanti.

La pianta è facilmente mutagenizzabile e, quindi, è stata

ampiamente utilizzata per esperimenti di mutagenesi con

radiazioni X e tramite agenti chimici, come sistemi di tipo

alchilante quali EMS. L’etil-metansolfonato introduce nel

DNA lesioni puntiformi con transizioni GC-AT e AT-GC.

Il mutageno, sia esso chimico o fisico, è applicato allo stadio

seme, quindi con un embrione già multicellulare. In questa

condizione, alcune cellule saranno colpite dalla mutazione,

mentre altre rimarranno wild-type: quando la pianta germinerà,

porterà alla nascita di un organismo chimera mosaico, con

porzioni anatomiche mutate ed altre non lesionate.

Fiori lesionati dal trattamento daranno origine, tramite

autofecondazione di gameti maschili e femminili mutati, a

piante wild-type, eterozigoti per la mutazione o omozigoti per

la mutazione. Fiori wild-type daranno origine a piante

selvatiche.

Le piccole dimensioni delle plantule facilitano lo screening dei mutanti. Molti screening morfologici sono

effettuabili già a livello di plantula.

I mutanti disponibili generati negli anni sono numerosissimi. Più di 2000 sono i loci mutati con la

possibilità di effettuare autofertilizzazione per mantenere facilmente le linee mutate. Piante di Arabidopsis

con fenotipi fiorali mutanti hanno permesso di scoprire la presenza dei geni omeotici nelle piante.

Mutanti di fasi dello sviluppo embrionale, soprattutto germinazione e formazione della plantula, permettono

di studiare il pattern di sviluppo dell’embrione e quindi capire i meccanismi di commitment cellulare.

Il genoma è estremamente compatto. Rappresenta un notevole punto di forza e unicità, poche altre piante

hanno DNA così condensati. È di circa 120 Mb a livello nucleare.

The Arabidopsis genome was sequenced ahead of schedule and within budget, a model for multinational

cooperation. The level of sequence completion without gaps, including repetitive regions of the genome, is

unparalleled among multicellular organisms. Importantly, Arabidopsis also provides the first sequence of a

genome containing methylated DNA. There are about 26,000 nuclear, 80 chloroplast and 60 mitochondrial

genes encoding proteins in Arabidopsis. The nuclear genome contains around 120 Mb of DNA, excluding

telomeric, nucleolar and centromeric tandem repeats. The genomes of crop plants are much larger: rice has

about 3 times, tomato 7 times, maize 20 times and wheat 120 times more DNA per cell. Arabidopsis is

therefore an efficient model for identifying important plant genes and provides a molecular foundation for

studying plant diversity.

Il genoma di Arabidopsis è il più

piccolo tra quello delle piante

conosciute. È più esteso di quello

di Escherichia coli e lievito, ma

nell’ambito di piante ed animali è

uno delle specie con il genoma più

ristretto. È paragonabile a quello di

Caenorhabditis elegans e

Drosophila melanogaster.

Allo stato aploide ha 5 cromosomi in 125 Mb (115,409 sequenziato) di genoma, in cui ci sono 25,498 geni

putativi. La densità genica varia da 1 a 38 geni ogni 100kb, mentre la densità delle expressed sequence tag

“ESTs” da 1 a 200 ogni 100Kb. La densità dei transposable element

“TEs”da 1 a 33 ogni 100Kb.

Molti geni sono stati classificati in categorie funzionali grazie allo

studio comparato con gli altri organismi modello e geni la cui funzione

è conosciuta. Ciò consente di effettuare predizioni di funzione e

sequenza di diversi geni.

• Il 69% dei geni ha una funzione putativa.

• Il 9% dei geni caratterizzato sperimentalmente.

• Il 30% dei geni cod