Plasticità cellulare (terza parte)

SVILUPPO EMBRIONE

L'accrescimento dell'embrione e la deposizione delle riserve si arrestano quando il seme comincia a seccare. Durante l'embriogenesi vengono abbozzati solo pochissimi organi, la maggior parte viene prodotta post-embrionalmente.

Disidratazione del seme:

• nell'ovulo (80-90% di acqua)
• nel seme secco (5-15% di acqua)

Quiescenza: embrione a riposo, enzimi inattivi, sintesi proteica inattivata, respirazione molto bassa.

Quando dura? Da poche settimane a migliaia di anni!! In una leguminosa - specie di lupino artico - il periodo della quiescenza è stimato in circa 1500 anni!!

Il successo del seme è dovuto a:

• Sostanze nutritive sufficienti a sostenere la crescita dell'embrione fino a renderlo pianta-autosufficiente
• Metabolismo estremamente ridotto, sostanze di riserva non vengono consumate nell'intervallo di tempo fra il distacco del seme dalla pianta madre e la germinazione
• Capacità di...

resistere senza riportare danni a situazioni ambientali avverse e potenzialmente dannose prima della germinazione

Meccanismi di percezione e valutazione dei vari parametri ambientali e capacità di reazione a quelli favorevoli con la ripresa della crescita e sviluppo

FASI DI SVILUPPO DEL SEME

1. Embriogenesi vera e propria

   1. fase di divisioni cellulari dello zigote che si conclude con la formazione dell'embrione
   2. aumenta in questa fase contenuto di
   • acqua
   • sostanze organiche

2. fase di maturazione

   1. accumulo di riserve
   2. forte aumento volume cellulare
   3. non si verificano divisioni cellulari

3. Fase di disidratazione

   1. forte perdita di acqua

Embrione:

• giovane sporofito (la nuova pianta)
• complesso multicellulare che deriva dallo zigote
• nelle prime fasi di sviluppo
• è contenuto all'interno di un tessuto parentale
• dipende nutrizionalmente dall'organismo parentale
• in esso viene definito il piano di organizzazione complessiva

• si formano i cotiledoni (foglie embrionali, modificate che in molti casi devono sostenere le prime fasi di sviluppo della pianta)
• si definisce l'apice del germoglio e l'apice radicale, nonché i sistemi tissutali che caratterizzeranno il corpo primario della pianta
• come negli animali, si definisce il piano basilare di crescita della pianta con l'abbozzo solo di alcuni organi della crescita vegetativa e la definizione solo di alcuni sistemi tissutali, gli altri organi e sistemi tissutali si formano solo durante la crescita della pianta (fase post-embrionale). Dal punto di vista morfologico la struttura dell'embrione può essere considerata come il risultato della sovrapposizione di due modelli di sviluppo, uno lungo l'asse longitudinale (apicale-basale, pattern longitudinale) e l'altro lungo l'asse radiale (pattern radiale costituito dai tessuti della crescita primaria).

cellula uovo non fecondata, nella maggior parte delle specie, è già fortemente polarizzata, con un nucleo di grosse dimensioni e nucleoli evidenti, generalmente localizzato all'estremità calazale e la restante parte della cellula occupata da un grosso vacuolo, alternativamente il vacuolo può essere centrale e circondato da vacuoli più piccoli.

Avvenuta la fecondazione, lo zigote si allunga ulteriormente lungo l'asse micropilo-calazale. Le fasi precoci dell'embriogenesi definiscono quindi il piano generale dell'organizzazione della pianta.

Stadi di sviluppo embrionale:

Pro-embrione (bicellulare) -> Stadio globulare (sferico) divisioni cellula apicale dello zigote asimmetrico

Stadio cordato o stadio di cuore - cotiledoni, simmetria bilaterale - l'embrione acquista la forma allungata che la pianta conserverà per tutta la vita

Stadio a torpedine - espansione delle cellule, sviluppo dei cotiledoni - si evidenziano i due poli

1. opposti di sviluppo (apice del germoglio ed apice radicale).
2. Stadio cotiledonare o di maturazione perdita di acqua, tolleranza alla disidratazione
3. La prima divisione nucleare dello zigote è quasi sempre TRASVERSALE ed asimmetrica e genera:
   • una cellula apicale
     • piccola
     • darà origine alla maggior parte dell'embrione vero e proprio
   • una cellula basale
     • più grossa
     • darà origine al sospensore ed all'ipofisi
4. In altre specie, tuttavia, il destino di queste due cellule può essere molto diverso. 28
5. La polarità assiale: dallo zigote al pro-embrione bicellulare
   • Lo zigote si espande e diventa polarizzato:
     • parte apicale è con citoplasma denso
     • parte basale contiene il vacuolo centrale
   • Prima divisione asimmetrica perpendicolarmente all'asse principale dello zigote
     • Cellula apicale: forma tutte le strutture dell'embrione
     • Cellula basale: divisioni orizzontali; perpendicolari

all'asse principale; si forma un filamento da 6 a 9 cellule (sospensore: extraembrionale). La prima di queste cellule formerà invece l'ipofisi che è parte dell'embrione.

Il sospensore: - connette l'embrione al sistema vascolare della pianta madre - è una struttura alla base dell'embrione che spinge l'embrione stesso nel tessuto ricco di sostanze di riserva - nelle fasi successive di sviluppo va incontro a PCD

La cellula basale derivata dalla prima divisione dello zigote si divide ancora trasversalmente formando una fila di 7-9 cellule.

La cellula apicale subisce due divisioni longitudinali rispetto all'asse micropilo-calazale dell'ovulo dando origine ad un embrione a 4 cellule allungate, che si dividono trasversalmente originando un embrione ad 8 cellule chiamato ottante.

Le cellule dell'ottante si dividono tutte secondo un piano parallelo alla superficie dell'embrione (divisioni pericline) dando origine a 8 cellule.

più esterne ed una massa (8 cellule) interna. Questa divisione è molto importante perché determina la formazione del primo tessuto metistematico, il protoderma. Le successive divisioni, quasi tutte perpendicolari alla superficie dell’embrione (anticline) generano l’embrione globulare. In questa fase di sviluppo inizia a definirsi il pattern radiale.

Figura 1: Stadi di sviluppo precoci (embrione di Arabidopsis)

Enzimi sintetizzati a livello della parete probabilmente sono coinvolti nel rilascio di molecole attive nello sviluppo. Dato che le cellule figlie ereditano parte della parete della cellula madre è stato ipotizzato che la composizione della parete possa essere implicata nell’informazione ereditata per discendenza. Alcuni componenti di parete possono essere marcatori di polarità e partecipare ad elaborare e mantenere la polarità dell’embrione.

Il gene Lipid Transfer Protein 1 di Arabidopsis (AtLTP1) si esprime nel protoderma.

Fin dallo stadio globulare, nelle fasi di sviluppo successive, l'espressione di questo gene si ristringe a delimitare la regione embrionale che darà origine agli organi aerei (cotiledoni e ipocotile). Il gene AtLTP1 codifica per una proteina coinvolta nella formazione della cuticola (componente della parete delle cellule epidermiche che le rende idrofobe) necessaria all'epidermide degli organi aerei ma che sarebbe dannosa nell'epidermide radicale.

Pattern radiale (definizione dei tessuti del corpo primario)

La polarità radiale porta alla definizione di:

• Protoderma (epidermide)
• Meristema fondamentale (cortex, endodermide)
• Procambio (tessuti vascolari, periciclo)

Formazione del pattern radiale

Tessuti differenti sono organizzati secondo un pattern riconoscibile in un organo a struttura primaria

Pattern radiale dall'esterno verso il centro:

• Radicioneo Epidermide
• Cortex ed endodermide
• Cilindro vascolare (periciclo, floema, xilema)

Fustioneo Protoderma

1. Meristema fondamentale (cortex, endodermide)
2. Procambio (tessuto vascolare primario, cambio vascolare)

Il pattern radiale si definisce completamente durante lo stadio globulare (circa 64 cellule), divengono riconoscibili, oltre al protoderma, anche il meristema fondamentale e, più internamente, il procambio.

Successivamente nella regione apicale dell'embrione emergono gli abbozzi dei due cotiledoni e l'embrione assume una simmetria bilaterale.

L'embrione si allunga definendo completamente l'asse longitudinale.

Durante lo stadio a cuore diventa distinguibile l'ipocotile o asse embrionale. Anche il meristema radicale si forma durante lo stadio a cuore mediante divisioni a carico della cellula basale embrionale e dell'ipofisi.

La polarità assiale diventa ben evidente nello stadio a cuore.

Tre regioni assiali:

• Regione apicale: forma i cotiledoni e il meristema apicale
• Regione mediana: forma l'ipocotile, la radice e la maggior

parte del meristema radicale❖ L'ipofisi: forma il resto del meristema radicale 30Meccanismi di signaling posizionale guidano l'embriogenesiNegli animali esiste un pattern riproducibile di divisioni cellulari con programma di divisioni fisso perogni cellula.Nelle piante il sestino differenziativo della cellula è determinato dalla sua posizione nell'embrione.Meccanismo di signaling posizionale (plasmodesmi, morfogeni)Morfogeni:negli animali segnali chimici svolgono un ruolo determinante durante l'embriogenesiinformazione posizionale mediante gradienti di concentrazione→nelle piante è l'auxina principale morfogeno durante l'embriogenesi→tra le auxine naturali troviamo acido 3-indolacetico (IAA) e acido fenilaceticoTrasporto di IAA in relazione alla formazione del meristema apicale:Il meristema apicale del germoglio si forma in una zona con bassa concentrazione di auxinaNell'embrione vengono espressi i carriers PIN1, (PIN3),

PIN4, PIN7 espressi con diversa localizzazione in tempi diversi dello sviluppo dell'embrione. La sequenza di espressione regolata temporalmente e spazialmente, è responsabile dellavariazione nella direzione del flusso di IAA durante l'embriogenesi. In stadi precoci il flusso di IAA è verso l'apice, lontano dal sospensore; dallo stadio globulare tardivo il flusso è invertito, verso l'ipofisi e la radice in sviluppo. PIN7, PIN1 i primi geni PIN espressi nell'embrione. Allo stadio a cuore segue quello a torpedine, caratterizzato dall'allungamento dell'asse embrionale e dei cotiledoni. Durante questo stadio compare il meristema vegetativo apicale, posizionato fra i due.