Appunti di Biologia dello sviluppo vegetale

STM.

Ma torniamo al meristema e alle stem cells, che ne sono la componente fondamentale:

come vengono mantenute? E i confini della nicchia? Si è identificato un mutante senza

stem cells, wuschel (= cespuglioso), con:

• 2 cotiledoni

• 2 ammassi con 3 foglioline ciascuno: sono gli organi formabili dalle stem cells

disponibili, visto che le stem cells nel meristema si esauriscono subito.

Tuttavia a volte questi mutanti compensano in parte, così alla base di questi organi si

assiste alla regressione di alcune cellule già differenziate a cellule meristematiche e si

possono formare nuovi organi, così la pianta prende un aspetto cespuglioso, da cui deriva

il nome wuschel. Anche Wus codifica per un omeobox e viene espresso molto

precocemente nel meristema durante lo sviluppo embrionale, per poi continuare a venire

espresso per tutta la vita della pianta. Viene espresso al di sotto della nicchia,

nell’organizing centre, poiché è un organizzatore delle stem cells: organizza, mantiene e

definisce i confini della nicchia.

Ma come viene mantenuto il confine dell’espressione di Wus? Si sono individuati mutanti

con troppe staminali, come i Clavata: hanno 6 petali anziché 4, 10 stami anziché 6... tutti i

verticilli sono sballati con numeri maggiorati rispetto al normale. Col microscopio

elettronico si può osservare che questo mutante ha molte più staminali del normale. In

realtà però ci sono 3 tipi di Clavata: Clavata1, 2 e 3, che sono dovuti a mutazioni in geni

diversi ma presentano lo stesso fenotipo. Clavata 1 e 2 codificano per proteine

transmembrana, mentre Clavata3 è un piccolo peptide secreto dalla cellula.

Sia Wus sia i Clv sono coinvolti nel mantenimento del numero delle cellule staminali, che

deve essere costante. Probabilmente sono antagonisti tra loro: se manca uno dei due

l’altro viene overespresso e prevale. Si pensa che il modello sia così:

CLV3 CLV1/2 | WUS

Clv3 interagisce con Clv1/2 attivando il segnale che reprime Wus.

N.B.: in realtà i passaggi sono molti di più.

Tuttavia anche Clv3 è regolato e si pensa che Wus venga espresso solo nella nicchia: se

viene overespresso e sconfina fuori dalla nicchia viene attivato Clv3 e lo reprime.

N.B.: Questo è solo un modello, è basato su dati sperimentali e va

ancora verificato. Certo si può vedere guardando i dati molecolari

dell’espressione di Wus nel wt: nel clv1 la sua espressione è molto

maggiore! Per questo ha molte più staminali del normale.

Ok, ma a questo punto... Come fanno le cellule a sapere che devono smettere di dividersi

man mano che si allontanano dal meristema? C’è un controllo ormonale che deve tradursi

in un’inibizione. Qui si nota una convergenza evolutiva: i fattori che regolano questo

fenomeno sono le stesse sia nelle piante sia negli animali, ma si sono sviluppati

indipendentemente. L’ormone in causa è retinoblastoma (RBR), un oncogene che

controlla l’uscita dal ciclo cellulare reprimendo STM. Mutazioni con perdita di RBR

ritardano molto il differenziamento nelle piante, anche se non sono letali, cosa che fa

supporre che RBR sia ridondante. Se c’è un’overespressione, invece, causa un precoce

esaurimento delle cellule meristematiche.

Organogenesi

Come gli organi acquisiscono un’identità e una posizione specifica? Il morfogeno che

indica la zona dove si deve formare un primordio è l’auxina, regolata da PIN1 ed altri

carriers. Ma nello specifico? Come si forma tutta la biodiversità che abbiamo intorno a noi?

Sviluppo degli organi laterali: le foglie

Il fusto è diviso in nodi ed internodi, essendo i nodi i punti in cui si inseriscono le foglie con

una determinata fillotassi, ossia il numero di foglie e nodi e la posizione reciproca di essi

tra loro, che è costante in una specie e regolata geneticamente.

La molecola che regola il numero di foglie per nodo e la posizione reciproca è l’auxina, fin

dalle briofite, quindi è un meccanismo molto conservato. Picchi di auxina sono determinati

dalla disposizione dei PIN; tuttavia non si sa come avvenga la distribuzione dei PIN stessi,

anche perché continuano a cambiare posizione. Quali geni sono implicati in questo

fenomeno? Il processo è molto complesso, poiché implica la veicolazione corretta delle

vescicole di trasporto delle proteine di membrana. Quindi non è solo l’espressione del

gene che conta, ma anche il posizionamento dei PIN e il riciclo di membrana, che porta al

loro spostamento.

Facendo variare gli accumuli di auxina spazialmente e temporalmente si regola la

 variazione della fillotassi.

Questo meccanismo è valido sia per le monocotiledoni sia per le dicotiledoni ovviamente:

il punto di accumulo di auxina è il “primordio incipiente” e permane per un certo periodo,

poi c’è una ridistribuzione dei PIN, di modo che ci siano altri accumuli dove deve formarsi

un altro primordio incipiente.

Ma una volta che si forma il primordio? Le cellule devono “sapere” che fanno parte di una

foglia... ma anche all’interno di una foglia le cellule non sono tutte uguali! Ci sono dei

pattern di differenziamento a seconda della posizione nella foglia secondo i tre assi:

• Basale/apicale (nelle angiosperme picciolo e punta)

• Centro/laterale (nervatura principale, margini...)

• Adassiale/abassiale (corrisponde al nostro dorso/ventrale)

L’asse adassiale/abassiale designa le caratteristiche che dipendono dalle funzioni delle

cellule nella foglia: parenchima lacunoso (dorsale) o a palizzata (ventrale).

Ci sono tre livelli di organizzazione:

Numero e posizione delle foglie.

1. Assi (definiti a livello del primordio)

2. Forma della foglia, grandezza, se foglia semplice o composta, margini.

3.

La forma della foglia è determinata dalla diversa proliferazione delle cellule: nei punti più

stretti ci sarà meno proliferazione che in quelli più larghi per una diversa velocità di

divisione o per la cessazione delle divisioni. Quindi la forma della foglia dipende dalla

regolazione differenziale del ciclo cellulare.

Per quel che riguarda le foglie composte, si parte da una foglia unica in cui si formano

delle frastagliature, che si approfondano come “buchi” fino al picciolo, creando così la

foglia composta.

Stesso meccanismo dei margini frastagliati.

 Ci sono delle zone di confine che separano i diversi lembi, regolate da CUC1-2-3.



Il gene che regola il numero di divisioni cellulari è ANT (Aintegumenta).

C’è un altro aspetto... Le cellule devono assumere delle identità differenti.

Devono “sapere” in che punto della foglia sono.

 Si devono definire un lato adassiale ed uno abassiale immediatamente appena si

 forma il primordio.

Ma questo cosa vuol dire in termini di morfogenesi? I geni espressi differiscono da una

regione all’altra della foglia. Negli anni ’50 Ian Sussex ha visto che se eliminava la punta

del meristema le cellule non capivano più se erano sul lato adassiale o abassiale e ha

concluso quindi che le cellule del meristema producono un morfogeno: il lato più vicino al

meristema ne avrà di più, quello più lontano di meno, secondo gradiente. Tuttavia questo

morfogeno non è mai stato identificato.

Adassialità ed abassialità

E’ stato identificato un mutante, Phantastica (Phan), che presenta foglie con fenotipo

cilindrico, quindi con la caratteristica unicamente abassiale, senza l’adassialità. Il gene

Phan codifica per un fattore trascrizionale. Invece la perdita dell’espressione del gene

Kan, anch’esso codificante per un fattore trascrizionale, porta a foglie aghiformi con

perdita dell’abassialità, quindi unicamente con la componente adassiale. In effetti mutando

questi due geni si può cambiare la forma delle foglie, cosa che riveste un’enorme

importanza evolutiva.

C’è un confine molto netto all’interno dei primordi degli organi tra le regioni di

 espressione di Phan e di Kan e viene determinato dal punto di vista genetico,

essendo così caratteristico in generale della specie e in particolare dell’individuo.

Ma chi decide dove è espresso Phan e dove Kan? Il confine deve avere un controllo

estremamente puntuale.

La crescita differenziale contribuisce alla “serration” del margine fogliare

Anche in questo caso è molto importante CUC2, che quindi non separa soltanto gli organi

tra di loro, ma anche regioni all’interno dello stesso organo. Infatti, nei mutanti con perdita

di CUC2 non si trovano delle introflessioni nelle foglie normalmente presenti nel wt, oppure

si trovano, sì, ma meno profonde che nel wt. L’incidenza della perdita varia a seconda che

sia un mutante in un CUC2 singolo, un doppio mutante, un triplo mutante... Infatti CUC2 è

ridondante. Se invece CUC2 viene overespresso le frastagliature sono più profonde che

nel wt.

CUC2 è espresso nel margine tra due foglie, cioè tra una frastagliatura e quella adiacente.

Per vedere l’importanza di questo gene si è fatta una comparazione tra Arabidopsis

Thaliana e Cardamine hirsuta, che hanno il gene CUC2 molto conservato tra loro. In

Cardamine hirsuta le foglie sono composte, mentre in Arabidopsis sono semplici. Ora, se

si fa un mutante per CUC2 di Cardamine hirsuta, questa avrà le foglie semplici come

Arabidopsis.

Sì, CUC2 è determinante.



La transizione fiorale

Ad un certo punto dal meristema apicale si formano i fiori... Perché fa fiori e non foglie?

C’è una transizione fiorale che consiste in una riprogrammazione del meristema

vegetativo. Di solito i fiori sono organi laterali, ma a volte sono anche totali: tutto il

meristema della pianta diventa meristema fiorale e si trasforma quindi nel fiore, cosicché

l’individuo muore con la formazione del seme. Anche la fillotassi dei fiori è determinata

geneticamente nella specie e nell’individuo ed è anch’essa regolata dall’auxina.

Il passaggio dal meristema vegetativo a quello fiorale si ha in primavera,

conseguentemente è regolato da parametri ambientali e parametri interni, quali:

• Vernalizzazione: Si ha solo a certe latitudini e presuppone un periodo abbastanza

freddo e di data lunghezza. Questo evita che la pianta scambi le giornate di sole

fuori periodo con la primavera incipiente.

• Fotoperiodo: Numero di ore di luce rispetto a quelle di buio.

• Controllo endogeno (ormoni): Soprattutto le gibberelline, che svolgono un

controllo interno e traducono i fattori ambientali in qualcosa di fisico. Inoltre, dato

che i fiori costano tanta energia, il controllo endogeno avv