Biologia Vegetale

Biologia vegetale lezione 1

Materiale e modalità d'esame

Materiale: Sito E-Learning su "C.I. Biotecnologie Vegetali 2018-19". Password: bioveg1819.
Libro di testo: Biologia delle piante, Smith, Coupland, Dolan, Harbert, Jones (Zanichelli).
Modalità esame: Esame orale (2 appelli a Febbraio).

Perché le biotecnologie vegetali?

Le piante, come la maggior parte degli animali, sono eucarioti pluricellulari. I mitocondri e i plastidi delle cellule eucariotiche derivano da un inglobamento di un organismo unicellulare procariotico da parte di un altro, e dalla successiva ritenzione dell'organismo incorporato all'interno del citoplasma della cellula ospite. L'inglobamento simbiotico di un organismo da parte di un altro è un fenomeno conosciuto come endosimbiosi; dopo che un tale evento si è verificato, ciascun partner dell'interazione simbiotica dà un contributo essenziale alla sopravvivenza del nuovo organismo.

Le piante sono differenti le une dalle altre, ognuna si è evoluta in base alle loro necessità (c'è chi ha sviluppato fiori enormi, vite lunghissime o busti enormi). Le piante non possono crescere oltre i 100 m per un fatto idraulico (in quanto l'acqua non può arrivare a tale altezza) ma teoricamente le piante potrebbero crescere all'infinito.

Gli organismi animali non potrebbero sopravvivere senza gli organismi vegetali:

• Le piante producono la maggior parte dell’ossigeno che respiriamo.
• Le piante producono la maggior parte dell’energia chimicamente immagazzinata, convertendola da energia solare a chimica, che consumiamo come cibo e come carburante da bruciare (sviluppate dal metabolismo secondario delle piante).
• Le piante producono un incredibile assortimento di prodotti chimici utili.

Nel 1774, Joseph Priestley comprese che un animale "cattura" aria durante la respirazione. Un animale tenuto in un contenitore sigillato rischia di morire. Priestley comprese inoltre che le piante hanno la capacità di recuperare l'aria. Oggi sappiamo che le piante producono ossigeno come sotto-prodotto della fotosintesi.

Tramite un certo sistema metabolico le piante fissano l'anidride carbonica (CO₂) in molecole ricche di energia come proteine presenti in cibo e prodotti chimici (vitamina A, C, ecc...), tutto questo grazie al processo di fotosintesi.

Perché studiare le piante

• Le piante definiscono gli ambienti in cui viviamo. Possiamo quindi contribuire a conservare le piante e gli ambienti minacciati di estinzione.
• Per conoscere meglio la natura. Conoscere le piante ci può aiutare a riconoscere ciò che può farci del bene o del male.
• Saper usarle al meglio. Sfruttarle per fornirci cibo, medicine ed energia.

Lo studio delle piante ci informa sul nostro mondo: Le cellule sono state originariamente descritte nelle piante. Si è iniziato a parlare di "cellula" in seguito alle osservazioni delle pareti cellulari di piante di sughero. In seguito furono identificati i primi virus tramite l'osservazione di piante: i virus infettano gli esseri umani, così come le piante, causando molte malattie.

Gli studi di Mendel sui piselli hanno rivelato le leggi dell'ereditarietà: Anche gli studi di Mendel furono condotti sulle piante ponendo le fondamenta per la genetica vegetale e l'incrocio. Lo studio delle piante può contribuire ad alleviare la fame: Un obiettivo fondamentale della botanica è incrementare la produzione alimentare; le stime attuali prevedono di aumentare la produzione del 70% nei prossimi 40 anni. È possibile sviluppare piante che:

• Sono tolleranti verso la siccità o lo stress. È possibile modificare geneticamente il gene che regola la lunghezza della radice producendo radici più lunghe che conferiscono resistenza allo stress idrico.
• Richiedono meno fertilizzanti o acqua. I fertilizzanti sono una risorsa limitante e richiedono energia; i fertilizzanti principali sono: Potassio, Fosforo, Azoto e altri nutrienti.
• Sono resistenti agli agenti patogeni. Purtroppo le piante ammalate non possono essere curate e inconsciamente l'uomo ha selezionato le piante in base alle sue necessità causando un calo delle difese immunitarie delle piante.
• Sono maggiormente nutritive.

Alterare un singolo gene può aumentare la tolleranza delle piante alla siccità. Un altro metodo di miglioramento delle piante è l'incrocio di determinate specie: si possono incrociare piante da raccolto con piante perenni per ridurre la dipendenza delle coltivazioni da acqua e fertilizzanti.

[vedi appunti e slide "01 perché le biotecnologie vegetali?"]

Lezione 2

Origini, la terra, cellule e fotosintesi

Stile di vita delle piante: Le piante non si possono spostare quindi tendono ad essere indistruttibili; anche se spezzate a metà una parte continua a vivere. Qualunque funzione che negli animali sia affidata ad organi specializzati, nelle piante è diffusa sull'intero corpo.

Evoluzione della fotosintesi: Durante la fotosintesi la luce solare permette di convertire 6 molecole di CO₂ e 6 molecole di H₂O in una molecola di glucosio (C₆H₁₂O₆), zucchero fondamentale per la vita di una pianta. Come sottoprodotto della reazione si producono 6 molecole di O₂, che la pianta libera nell'atmosfera.

6 CO₂ + 6 H₂O → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

La fotosintesi non completa il fabbisogno di una pianta. L'endosimbionte (alcuni gruppi di eucarioti già provvisti di mitocondri) acquisirono un altro organulo, il plastidio, tramite un secondo evento endosimbiontico in cui inglobarono un cianobatterio fotosintetico. In questo modo si arrivò alla formazione della cellula autotrofica: un organismo capace di generare, per mezzo della fotosintesi, tutto il suo carbonio organico a partire dalla CO₂. Dal cianobatterio simbionte derivò il plastidio.

Le prime alghe potevano somigliare alle alghe moderne: Dalla cellula eucariotica fotosintetica originata dai due eventi endosimbiontici sono derivati tre cladi (gruppi di organismi discesi da un singolo progenitore comune): le glaucofite, le rodofite (alghe rosse) e le clorofite (alghe verdi); queste ultime sono le progenitrici delle piante terrestri attuali.

Lo sviluppo dei plasmodesmi fu un evento evolutivo importante: sono strutture che mettono in comunicazione cellule vicine attraverso le pareti cellulari. La parete cellulare non è continua: esistono zone in cui fra due cellule non viene deposto materiale, pertanto le due cellule vicine possono comunicare mediante passaggio di citoplasma e di molecole.

La formazione di organi sessuali (sporangi) rappresentò un evento evolutivo critico: Indicazioni circa l'organizzazione delle piante terrestri primordiali derivano dalla scoperta, in alcuni siti, di sporangi (le strutture della pianta materna in cui si sviluppano le spore). La comparsa di spore indica la presenza di piante terrestri.

Evoluzione delle eutracheofite: L'altezza delle piante è cresciuta enormemente tra il Siluriano e il Devoniano. Questa crescita in altezza fu accompagnata dallo sviluppo di cellule con pareti ispessite, specializzate nel trasportare l'acqua dalla base della pianta fino alle regioni più alte del suo corpo e nel fornire il sostegno meccanico necessario per la crescita stessa. Questi sono canali (fasci vascolari) che trasportano l'acqua fino alle parti più alte in modo veloce. Queste piante sono dette tracheofite, e i loro elementi di conduzione e di supporto meccanico sono le tracheidi (rafforzati dallo sviluppo di un polimero complesso molto resistente e idrofobo: la lignina).

Le piante a seme (spermatofite): Le spermatofite sono un gruppo di piante che condividono la caratteristica di produrre semi. Il seme contiene l'embrione che si sviluppa dallo zigote (la cellula ottenuta dalla fecondazione). Le angiosperme sono il gruppo vivente di piante a seme più numerose sulla terra.

Rappresentazione schematica delle spore femminili e maschili nelle piante a seme: (A) Stadio iniziale dello sviluppo dell'ovulo (l'elemento riproduttivo femminile). L'ovulo, che è racchiuso entro i tessuti della pianta genitrice (sporofito), consiste di tegumenti esterni che circondano il megasporangio, il quale contiene la megaspora. (B) Divisioni del nucleo e della cellula nella megaspora danno origine al megagametofilo. Una cellula del megagametofilo, l'ovocellula, si fonderà con un nucleo proveniente dal microgametofilo (il polline) durante la fecondazione, dando origine allo zigote dal quale si svilupperà l'embrione. (C) Un microgametofito maturo, o granulo pollinico (elemento riproduttivo maschile). Il granulo pollinico consiste di due cellule. La piccola cellula generativa ha due nuclei, uno dei quali si fonderà con l'ovocellula durante la fecondazione.

Evoluzione del seme: Una struttura fondamentale per l'evoluzione delle piante: Sono funzionali per essere sparsi anche su lunghe distanze.

Ciclo vitale "aplonte"

(A) Il ciclo vitale aplobionte dei membri delle carali, i progenitori più prossimi delle piante terrestri. La pianta aploide dà origine ai gametofiti maschili e femminili che producono, rispettivamente, spermi e ovocellule all'interno di organi specializzati e separati, presenti sul corpo della pianta. La fusione dei gameti dà origine a uno zigote unicellulare diploide. Questo va incontro a meiosi, quindi una spora aploide germina e cresce formando la successiva generazione della pianta aploide. L'organismo vive principalmente aploide, le piante aploidi vivono principalmente in acqua.

Ciclo vitale "aplo-diplonte"

(B) Il ciclo vitale diplobionte delle piante terrestri (qui è mostrata una versione semplificata del ciclo vitale di una felce). La generazione aplonte (nelle felci, un minuscolo organismo chiamato protallo) dà origine al gametofito maschile e a quello femminile, che producono, rispettivamente, spermi e ovocellule all'interno di organi specializzati e separati, presenti sul corpo della pianta. La fusione dei gameti dà origine a uno zigote unicellulare diploide. La divisione mitotica (non meiotica) dello zigote dà origine alla generazione sporofitica pluricellulare e diploide (nelle felci, la pianta adulta). La meiosi, che avviene in organi specializzati presenti sullo sporofito, dà origine alle spore aploidi, le quali poi germinano e crescono formando la successiva generazione aploide.

Le piante vivono in una fase di vita aploide e in una parte della loro vita sono diploidi. Il gametofito è la parte aploide della pianta, si distingue bene da uno sporofito.

Granuli pollinici delle gimnosperme e delle angiosperme: Un'invenzione fondamentale: il polline è la parte maschile del fiore, la parte femminile è racchiusa dentro il fiore.

Il fiore: Un'invenzione fondamentale: il fiore è una struttura che consente di comunicare col mondo animale dello spazio esterno. Si distingue in parti sterili (esterne) e quelle fertili (interne). In genere il pistillo (struttura centrale del fiore) è la parte contenente il gamete femminile. Negli stami (filamento e antera) sono le strutture maschili che producono il polline.

Il cotiledone caratterizza le piante a fiore (monocotiledoni e dicotiledoni): (A) I tre stadi della germinazione di un seme di monotiledone. Si noti la presenza di un singolo cotiledone, dal quale emerge un'unica vera foglia durante lo sviluppo della pianta. Questa caratteristica è tipica e specifica delle monocotiledoni. L'endosperma è un tessuto di riserva che circonda l'embrione nel seme.

Monocotiledoni e dicotiledoni sono le due linee evolutive delle piante e la differenza sostanziale tra loro due sta nel numero di cotiledoni presenti nel seme. Un'altra caratteristica specifica delle monocotiledoni è la presenza di venature parallele nelle foglie (che sono quindi dette parallelinervie), mentre tutte le altre angiosperme presentano foglie retinervie, in cui cioè le venature formano una rete.

Lezione 3

La divisione della cellula vegetale

Struttura di una cellula vegetale: A differenza delle cellule animali le cellule vegetali possiedono una parete cellulare, nonché un ulteriore rivestimento citoplasmatico molto dinamico. La parete presenta delle interruzioni chiamate plasmodesmi che fungono da canali per la comunicazione tra cellule adiacenti. Un plasmodesma è attraversato da una parte del reticolo endoplasmatico (attraverso i plasmodesmi possono veicolare anche i virus). Insieme al nucleo e ai mitocondri sono presenti anche i plasmidi deputati alla fotosintesi (convertono la luce in energia chimica). Inoltre la maggior parte del volume intracellulare è occupato (per circa l'80% nelle cellule più mature) dal vacuolo, una riserva di acqua, enzimi e diversi altri pigmenti capace di gonfiarsi e sgonfiarsi utilizzato inoltre per generare una tensione meccanica interna per mantenere le piante in posizione eretta comprimendo il citoplasma sulla membrana cellulare.

Mitosi nelle piante: Tra l'interfase e la profase si assiste alla formazione di un fascio di microtubuli che possiede vita breve; il nucleo poi si posizionerà al centro di questo fascio. Non sono presenti centrioli ai poli dell'apparato mitotico, la loro assenza rende il procedimento molto più fluido.

Il fragmoplasto è una particolare struttura di microtubuli a due filamenti disposti perpendicolarmente alla piastra cellulare in formazione e dalle vescicole derivate dall'apparato del Golgi lungo la linea mediana della cellula vegetale in procinto di divisione; tale struttura ha il compito di dividere la cellula madre in due cellule figlie. La parete si gonfia fino a dividersi: le vescicole si raccolgono nel piano equatoriale con andamento centrifugo, fondendosi tra loro a costituire il primo diaframma tra le cellule figlie.

Il fragmoplasto si forma dove in origine era presente la banda di microtubuli, quindi si può dire che è la banda a decidere dove si deve dividere la cellula. Le cellule vegetali non possiedono i filamenti intermedi di cheratina: la parete cellulare compensa le loro funzioni. Sono però presenti i filamenti di actina e i microtubuli; quest'ultimi svolgono diverse funzioni quali la separazione dei cromosomi che dal centro del fuso mitotico vengono tirati verso i poli opposti. La banda preprofasica è coinvolta nel posizionamento del fuso mitotico, se non formata correttamente si ottiene una cellula rotonda a differenza di una normale cellula in forma allungata.

Il citoscheletro è l'elemento fondamentale nel processo di divisione cellulare: (A) Struttura di un filamento di Actina. (B) Struttura di un Microtubulo. (C) Polimerizzazione delle componenti del citoscheletro. (D) Andamento ciclico di un filamento di Actina: l'acquisto netto di subunità all'estremità 'più' è compensato da una perdita netta all'estremità 'meno'. (E) Instabilità dinamica di un Microtubulo. Le subunità sono addizionate nella forma di GTP-Tubulina (in verde). Dopo l'addizione, il GTP è idrolizzato a GDP-tubulina (in grigio). Se la velocità di addizione delle subunità rallenta al punto che le nuove subunità aggiunte sono immediatamente convertite a GDP-tubulina, allora la presenza di GDP-tubulina alla estremità del microtubulo promuove il passaggio dalla polimerizzazione alla depolimerizzazione (a destra).

Duplicazione e migrazione dei centrioli in una pianta inferiore: Nelle piante inferiori sono ancora presenti i centrioli durante la mitosi. La loro mancanza nelle piante superiori ha causato la scomparsa di ciglia e flagelli e, di conseguenza, delle Dineine.

Collegamento tra cromatidi e microtubuli del fuso mitotico: Prima della metafase, nelle piante, e in generale in tutti gli eucarioti, le due molecole di DNA identiche (i cromatidi fratelli) che formano un cromosoma replicato sono ancora unite fra loro a livello della regione centromerica. In questa regione di appaiamento, su ciascun cromatidio fratello si forma una struttura chiamata cinetocore, che si lega alle estremità 'più' di un sottoinsieme di microtubuli del fuso detti "microtubuli del cinetocore". Il movimento dei fasci di microtubuli attaccati a ciascun cinetocore provoca nella metafase l'allineamento di tutti i cromosomi nella zona dell'equatore del fuso.

Dettagli dell'inserzione dei microtubuli a livello del cinetocore: (B) I microtubuli sono attaccati alle coppie di cromosomi condensati (cromatidi) nelle regioni del centromero, mediante il cinetocore. Le estremità 'più' dei fasci di microtubuli (microtubuli del cinetocore) si attaccano a questa struttura.

Il movimento basato sui microtubuli è mediato da famiglie di proteine motrici: (A) le proteine motrici (chimesine) sono di solito dimeri di due proteine identiche. I lunghi domini di coda si legano a un carico che deve essere trasportato lungo il microtubulo, mentre i domini di testa si legano al microtubulo. L'idrolisi dell'ATP operata dal dominio di testa fornisce l'energia per il movimento della proteina motrice e del suo carico lungo il microtubulo. Nel fuso mitotico, le proteine motrici spostano i microtubuli in senso opposto: (C) le chinesine causano lo scivolamento l'uno sull'altro dei microtubuli, legandosi (nei domini di coda) a un microtubulo come se fosse un carico e muovendosi (all'estremità di testa) lungo un altro microtubulo.

In anafase, le proteine motrici allontanano i cromatidi: (A) Secondo un modello, i cromatidi vengono separati dal movimento dei microtubuli del cinetocore rispetto ad altri microtubuli, statici, del fuso mitotico.