Biologia dello sviluppo vegetale - Riassunto completo

STRUTTURA DI UN MERISTEMA

Nella parte più lontana dalle cellule staminali si trovano le cellule in divisioni che stanno andando incontro a differenziamento.

Ai confini del meristema si trovano le cellule in rapida divisione.

Nella zona centrale si trovano le cellule staminali > questa zona viene anche chiamata nicchia.

Il numero di cellule staminali è costante: dopo la divisione, la cellula che rimane nella nicchia rimane staminale mentre quella che esce diventa meristematica.

Al di fuori della nicchia ci sono le cellule del centro organizzativo: esprime il gene WUS, necessario per mantenere le staminali.

Si studia se WUS, oltre ad essere necessario per il mantenimento delle staminali, è anche sufficiente.

Si overesprime WUS in altre cellule del meristema apicale > queste cellule dovrebbero essere convertite in staminali se WUS è sufficiente.

Per verificare se anche altre cellule sono diventate staminali, si studia l’espressione di CLV3 (marcatore).

distaminalità) mediante proteina ricombinante GFP >> nel mutante si osserva l’espressione di CLV3 in molte cellule del meristema >> WUS regola l’espressione di CLV3

Sono state fatte ibridazioni in situ di WUS nei mutanti CLV1/2/3 per verificare qual è la relazione tra WUS e i geni clavata >> si osserva che nei mutanti clavata si espande il dominio di espressione di WUS.

WUS regola l’espressione di CLV3; allo stesso modo CLV1/2 sono responsabili del controllo del dominio di espressione di WUS.

Visto che CLV3 e WUS sono espressi in domini cellulari differenti, come è possibile che WUS (fattore trascrizionale) regoli l’espressione del gene CLV3?

Nei mutanti WUS il gene CLV3 non è espresso.

Mediante ibridazione in sito si osserva che il gene WUS è espresso nel centro organizzativo > si vuole studiare se la proteina è in grado di essere traslocata in altre cellule per funzionare da fattore trascrizionale >>

si utilizzano costrutti con GFP >> si osserva che la proteina si trova anche nelle cellule di L1 e L2 (cellule della nicchia).

WUS viene trascritto e tradotto in OC ma viene poi esportata in L1 ed L2 a livello delle cellule staminali, dove attiverà la trascrizione di CLV3

In che modo viene mantenuto costante il numero di cellule della nicchia e di OC?

Importante ricordare che l'overespressione di WUS porta all'overespressione di CLV3 e, di conseguenza, un maggior numero di cellule staminali; inoltre, anche i mutanti CLV3, in cui CLV3 non è espresso, hanno un maggior numero di cellule staminali

È stato proposto un meccanismo di feedback loop > WUS attiva l'espressione di CLV3 > CLV3 deve essere in grado di regolare l'espressione di WUS nelle regioni meristematiche dove WUS deve essere espresso

Si utilizza la tecnica di immunolocalizzazione per studiare la capacità di CLV3 di essere esportato > CLV3 viene esocitato dalle cellule

della nicchia verso le cellule adiacenti.

Sia WUS che CLV3 sono proteine non cell-autonome

MODELLO DI INTERAZIONE CLAVATA-WUS

CLV3 viene espresso nelle cellule delle nicchia, viene esocitato e migra attorno all'OC >> interagisce con CLV1/2 per iniziare una catena di trasduzione del segnale che ha come scopo finale quello di reprimel'espressione di WUS.

WUS viene trascritto in OC e migra nelle cellule staminali >> nelle staminali attiva la trascrizione di CLV3

Il meristema è suddiviso in tre zone, la zona centrale contiene le cellule staminali.

WUS è un fattore trascrizionale WOX. È espresso nel OC e impone lo stato staminale delle cellulesovrastanti, presenti nella parte apicale della CZ.

CLV3 è espresso nella parte apicale della CZ > Codifica per un peptide segnale. CLV3 è espresso nelle cellulestaminali e ne è un marcatore. Limita la proliferazione eccessiva delle cellule staminali al di fuori della CZ.

WUS attiva

L'espressione di CLV3 che, a sua volta, reprime WUS. La repressione di WUS richiede un complesso recettore formato dalle proteine CLV1/2.

ORGANIZZAZIONE DEL MERISTEMA. Le cellule che producono il segnale extracellulare per mantenere le cellule staminali indifferenziate nell'anicchia sono localizzate, nel meristema apicale del germoglio, nell'organizer center OC; nella radice queste cellule sono localizzate nel QUIESCENT CENTER QC >> il meristema della radice ha una struttura simile a quello del germoglio e presenta fattori trascrizionali simili a CLV e WUS.

Il meccanismo genetico che sta alla base del mantenimento delle cellule meristematiche e, soprattutto, del mantenimento delle loro caratteristiche (cellule in attiva divisione) lo si ottiene mediante un approccio di forward genetics: è stato analizzato un mutante chiamato Shootmeristmless STM, chiamato così per la caratteristica di non avere il meristema > è un mutante che non è in grado di

STM codifica per un fattore trascrizionale della famiglia degli homeobox; è un gene espresso nelle cellule meristematiche per mantenerle tali (HOMEOBOX: superfamiglia di fattori trascrizionali contenenti le famiglie WOX, KNOX, BELL e HD-ZIP).
Si studia l'espressione del gene mediante ibridazione in situ: STM è espresso, nella fase molto precoce dello sviluppo, nelle cellule che daranno origine al meristema apicale; permane poi per tutto il ciclo vitale della pianta nelle cellule meristematiche.
Il fattore trascrizionale STM regola l'espressione di un gene codificante per un enzima della catena metabolica di un ormone: STM regola l'espressione del gene codificante per la ISOPENTENIL-TRANSFERASI7, enzima necessario nella vita di sintesi delle citochinine.
Una possibile ipotesi è che le citochinine sono necessarie per mantenere le cellule del meristema ciclanti. STM potrebbe, regolando la trascrizione di IPT7,essere coinvolto nel mantenimento del meristema
Per verificare questa ipotesi è stato effettuato un semplice esperimento: se STM non è in grado di formare organi in quanto incapace di produrre citochinine, fornendo citochinine al mutante si dovrebbe recuperare, almeno parzialmente, il fenotipo. Si tratta il mutante con zeatina (una citochinina) e si formano molti organi fogliali a partire dalla parte centrale della plantula (dà una indicazione dell'importanza di STM per modulare la sintesi di citochinine). Per verificare se veramente il fenotipo STM fosse dovuto alla mancata espressione del gene IPT7 si effettua un esperimento di complementazione mediante un costrutto in cui il promotore di STM è stato messo a monte del gene IPT. Il DNA ricombinante è stato utilizzato per trasformare il mutante STM e si recupera il fenotipo originario, confermando che il fenotipo mutato è proprio dovuto alla mancanza di IPT7.citochinine eche la mancanza di citochinine deriva dalla mancata espressione di IPT7 dovuto all'assenza del fattore STMMODELLO PER IL POSIZIONAMENTO DEI PRIMORDI FOGLIARIL'auxina si accumula in un primordio rimuovendo auxina dalle cellule circostanti > solo quando l'apice delprimordio cresce a sufficienza, allontanandosi dal meristema, nuova auxina può accumularsi ad un sito adistanza massima dai precedenti primordi e fungendo da nuovo sink13LA TRANSIZIONE FIORALELe piante, in funzione della loro strategia riproduttiva, possono scegliere il momento dell'anno più propizioper iniziare la transizione fiorale.È la fase di passaggio tra crescita vegetativa e crescita riproduttiva. Permette agli individui appartenenti aduna stessa specie di sincronizzare la fase riproduttiva (fioritura).Anticipa i cambiamenti stagionali: una pianta che fiorisce in un periodo grazie a segnali percepiti durante lastagione precedente.GENE FLOWERING TIME: i genicoinvolgimento nella transizione fiorale sono necessari per comunicare alla pianta il momento più adatto per fiorire. Questi fattori servono a monitorare le condizioni ambientali e sono, quindi, in grado di percepire cambiamenti ambientali che vengono tradotti in un segnale per la pianta. Si dividono in:

• PROMOTORI FIORALI: inducono la transizione in seguito alla percezione di uno stimolo ambientale favorevole >> corrispondenti mutanti non fioriscono anche se messi in condizioni ottimali per farlo
• REPRESSORI FIORALI: bloccano la transizione mantenendo la pianta in fase di crescita vegetativa finché le condizioni ambientali non sono favorevoli. In condizioni ottimali di crescita l'espressione o l'attività di questi geni è repressa >> i mutanti dei repressori fiorali fioriscono precocemente anche in condizioni non ottimali di crescita

VERNALIZZAZIONE è percepita principalmente dal meristema apicale (in generale da cellule in attiva crescita).rispondono o meno alla vernalizzazione. La presenza di mutazioni in FRIGIDA causa fioritura precoce, insensibile alla vernalizzazione. Quali geni sono necessari per la funzione di FRIGIDA? Si prendono piante FRIGIDA e le si mutagenizza con radiazioni < si cercano piante a fioritura precoce < si trovano 3 alleli mutati frigida e 4 alleli mutati FLC FLC (FLOWERING LOCUS C) è un fattore trascrizione di tipo MADS-BOX. FRIGIDA e FLC reprimono la fioritura: FRIGIDA agisce da attivatore trascrizionale per FLC, il quale agisce da repressore della trascrizione. FRIGIDA funge da base per un grosso complesso proteico di attivazione trascrizionale (FRIGIDA complex): recluta i fattori di rimodellamento della cromatina positivi, fattori di trascrizione basali e la PolII. Il freddo invernale reprime in modo stabile l'espressione di FLC; FLC è regolato in modo epigenetico. Lo stato trascrizionale di FLC è accesso oppure spento: il freddo invernale, invece di indurre unstato OFF. Questo processo è noto come differenziazione cellulare. Durante la differenziazione, le cellule acquisiscono caratteristiche specifiche e si specializzano per svolgere funzioni specifiche nel tessuto o nell'organo in cui si trovano. Durante la differenziazione cellulare, l'espressione di determinati geni viene regolata in modo preciso. Uno dei meccanismi di regolazione genica coinvolge l'attivazione o l'inattivazione di specifici fattori di trascrizione. Questi fattori di trascrizione sono proteine che si legano al DNA e controllano l'espressione dei geni. Nel caso dell'espressione di FLC, l'attivazione o l'inattivazione dei fattori di trascrizione determina se il gene FLC viene trascritto in RNA e tradotto in proteina. Durante la differenziazione cellulare, l'attivazione dei fattori di trascrizione che promuovono l'espressione di FLC diminuisce gradualmente. Di conseguenza, il numero di cellule che esprimono FLC diminuisce, mentre il numero di cellule che non esprimono FLC aumenta. Questo processo di riduzione dell'espressione di FLC in ogni cellula è essenziale per la corretta differenziazione cellulare. L'espressione di FLC è coinvolta nella regolazione di molte funzioni cellulari, tra cui la proliferazione cellulare, la morte cellulare programmata e la risposta agli stimoli esterni. La sua riduzione graduale durante la differenziazione cellulare consente alle cellule di acquisire caratteristiche specifiche e di svolgere funzioni specializzate nel tessuto o nell'organo in cui si trovano.