Riassunto esame di Biologia dello Sviluppo Vegetale

Riassunto esami di biologia dello sviluppo vegetale

Argomenti

• Introduzione
  • Definizioni
  • Confronto sviluppo vegetale e animale
  • Nomenclatura
  • Cellule staminali
  • Morfogeni
  • Sistemi modello
  • Studio dei mutanti (come ottenerli, trasformazione con agrobatterio, genetica diretta e inversa, analisi dei mutanti)
• Sviluppo embrionale
  • Embriogenesi
  • Maturazione
  • Ruolo dell'auxina (meccanismo molecolare)
• Meristemi
  • Tipi di meristemi
  • Meristema apicale della radice RAM e sviluppo
  • Meristema apicale del germoglio SAM e sviluppo
  • Analogia delle cellule staminali dei meristemi
• Organogenesi
  • Fillotassi (teoria del campo, auxina, meccanismo molecolare)
  • Forma fogliare (meccanismo molecolare dell’acquisizione del margine fogliare e dell'asimmetria dorso-ventrale)
  • Transizione fiorale (meccanismo molecolare, via fotoperiodica, meccanismo di integrazione spaziale)
  • Sviluppo del fiore (meristema dell’infiorescenza e meristema fiorale, struttura del fiore, mutanti e geni fiorali, modello ABCDE)
• Riassunto dei geni coinvolti

Introduzione

Sviluppo

D: Come è possibile che le cellule, che condividono lo stesso genoma, possano differenziarsi in tipi cellulari diversi?

D: Come possono le cellule formare strutture ordinate?

D: Come è regolata la proliferazione cellulare?

D: Come viene regolata l’interazione con fattori ambientali?

La biologia dello sviluppo indaga le modalità attraverso le quali le cellule acquisiscono e mantengono una funzione specializzata nell’organismo pluricellulare.

Sviluppo: insieme dei processi che dalla cellula uovo fecondata portano alla formazione di un individuo adulto, con tutte le caratteristiche della specie a cui appartiene.

Lo sviluppo realizza due obiettivi principali:

1. Produce la diversità e l’organizzazione ordinata delle cellule in ogni generazione.
2. Assicura la continuità della vita da una generazione a quella successiva.

Lo sviluppo è scomponibile in "tappe" che devono essere coordinate temporalmente e localmente:

1. Differenziamento cellulare (istogenesi): acquisizione di specifica forma, funzione, identità cellulare con formazione di tessuti specializzati.
   • Il differenziamento si basa sulla capacità delle cellule di rispondere a segnali informazionali intra- e extra-cellulari con cambiamenti nel profilo di espressione genica.
   • Meccanismi analoghi stabilizzano il destino cellulare attraverso il mantenimento/la repressione dell’espressione di specifici geni, che spesso codificano per fattori di trascrizione.
2. Morfogenesi e organogenesi: elaborazione della "forma" del corpo (pattern formation) attraverso divisioni, distensione e crescita cellulare (e migrazione cellulare negli animali) e formazione degli abbozzi di organi, assi, polarità, simmetrie.
3. Accrescimento/crescita: aumento del numero e delle dimensioni cellulari per divisioni successive e distensione.
4. Morte cellulare programmata (apoptosi)
   • L’apoptosi è un aspetto importante nello sviluppo vegetale (e animale) in quanto diversi tipi cellulari acquisiscono la loro funzione post-mortem (elementi conduttori).
5. Interazioni con l’ambiente: regolazione dell’interazione con fattori ambientali.

Le piante, essendo sessili, sono dotate di grande plasticità fenotipica: rispondono all’ambiente anche cambiando la propria forma e i propri pattern di sviluppo (a parità di genotipo).

Piante genotipicamente identiche, cresciute in diverse condizioni ambientali, hanno fenotipi diversi.

Differenze con gli animali

Piante e animali hanno morfologie radicalmente diverse, risultanti da marcate differenze nei programmi di sviluppo derivanti dalla loro evoluzione indipendente dall’ancestrale progenitore unicellulare.

Nonostante le fasi dello sviluppo (differenziamento, organogenesi, crescita) siano comuni agli organismi vegetali e animali:

1. Sviluppo embrionale e post-embrionale
   • Negli animali il differenziamento dei tessuti e degli organi (differenziamento, organogenesi) avviene durante lo sviluppo embrionale e al termine dello suo sviluppo l’embrione presenta gran parte delle caratteristiche dell’individuo adulto.
   • Nelle piante il differenziamento dei tessuti e degli organi (differenziamento, organogenesi) avvengono prevalentemente dopo che è terminato lo sviluppo embrionale e continua per tutta la vita dell’individuo.
2. Continuità nello sviluppo
   • Negli animali la crescita è definita/finita.
   • Nelle piante la crescita è indefinita/indeterminata (con continua formazione di nuovi tessuti e organi), dipendente dall’attività di cellule meristematiche staminali totipotenti, che origina grande variabilità fenotipica.
     • Nei meristemi possono coesistere in proporzioni variabili cellule con le due diverse modalità di crescita.
     • La combinazione tra formazione e senescenza di tessuti consente agli organismi vegetali di modulare la loro forma nel tempo e nello spazio.
3. Mobilità cellulare
   • Negli animali l’assenza di una parete cellulare permette alle loro cellule di migrare.
   • Nelle piante la presenza della parete cellulare (pectine della lamella mediana) preclude alle cellule vegetali il processo di migrazione.
     • La forma è prodotta principalmente da differenze nel ritmo della proliferazione cellulare e dall’orientamento spaziale delle divisioni cellulari.
4. Reversibilità del differenziamento
   • Negli animali la stabilità nel tempo del destino cellulare è alta (cellule animali isolate mantengono la propria identità).
   • Nelle piante le cellule possono cambiare destino se vengono isolate o se la loro posizione nella pianta viene alterata (transdifferenziamento).
5. Potenza delle cellule staminali
   • Negli animali le cellule staminali sono cellule pluripotenti, vengono prodotte durante l’embriogenesi e persistono negli adulti, in specifici tessuti e organi e sono in grado di mantenere sé stesse e nel contempo produrre uno (unipotente) o pochi tipi (multipotenti) di cellule specifiche.
     • La totipotenza permane solo nelle prime divisioni zigotiche dello sviluppo embrionale.
     • Con il procedere dello sviluppo i gradi di potenza delle cellule si riducono.
     • Le cellule staminali sono divise in gruppi non equivalenti di cellule tra loro equivalenti (tutte con uguale potenziale di sviluppo).
     • L’informazione posizionale si esplica: per specificazione laterale in seguito a interazioni tra cellule equivalenti, per induzione in seguito a interazioni tra cellule non-equivalenti.
   • Nelle piante le cellule staminali sono totipotenti, cioè in grado di produrre tutti i tipi cellulari e persistono per tutta la vita dell’organismo nei meristemi (primari e secondari).
     • I meristemi apicali del germoglio e della radice sono i meristemi primari responsabili di una crescita in lunghezza dell’organismo.
     • I cambi cribro-vascolare e subero-fellodermico sono i meristemi secondari responsabili della crescita in spessore.
6. Sviluppo embrionale
   • Lo sviluppo embrionale animale è inizialmente guidato da geni di origine materna e solo in fasi successive da geni di origine zigotica.
   • Lo sviluppo embrionale di Arabidopsis è sotto il controllo genetico dello zigote fin dalle prime fasi di sviluppo, particolari geni sono trascritti solo da alleli materni o paterni.

Nomenclatura genetica

• Nome dei mutanti: minuscolo corsivo → wuschel wus
• Nome dei geni: MAIUSCOLO CORSIVO → WUSCHEL WUS
• Nome delle proteine: MAIUSCOLO → WUSCHEL WUS
• Nome dei costrutti: corsivo → WUS::GUS

Cellule staminali

Cellule staminali tradizionalmente designano cellule pluripotenti animali prodotte da poche cellule staminali embrionali totipotenti durante l’embriogenesi che persistono nell’adulto in vari tessuti dove sono in grado per mitosi di mantenere loro stesse e nel contempo produrre cellule figlie che differenziano in uno o pochi tipi cellulari specifici per rimpiazzare cellule a vita breve o nei fenomeni rigenerativi in seguito a danni.

Le cellule staminali sono, più precisamente, precursori clonogenici le cui cellule figlie possono sia rimanere staminali sia andare incontro a differenziamento.

La nicchia delle cellule staminali è il microambiente in cui esse risiedono e comprende le cellule staminali e le cellule induttrici della nicchia adiacenti che producono segnali.

Le cellule staminali vegetali dei meristemi sono, a differenza di cellule staminali animali pluripotenti (in grado di generare uno o pochi specifici tipi cellulari), totipotenti (in grado di generare tutti i tipi cellulari possibili).

Nel regno vegetale, oltre allo zigote, permangono e possono generarsi per transdifferenziamento diversi gruppi di cellule totipotenti.

Le cellule vegetali sono plastiche in quanto il loro destino differenziativo non è rigorosamente determinato ma può essere modificato.

Nelle piante esiste un gradiente di plasticità differenziativa: le cellule meristematiche rimangono totipotenti generando cellule in via di differenziamento la cui plasticità viene mantenuta.

Cellule staminali totipotenti vegetali possono originarsi da cellule (vive) differenziate.

Variazioni nell’informazione extracellulare possono indurre il cambiamento dell’identità cellulare intervenendo sul programma trascrizionale delle cellule vegetali.

I cambiamenti extracellulari possono causare:

• Transdifferenziamento (il passaggio da un tipo di differenziamento a un altro)
• Il passaggio da una condizione meristematica a un’altra
• Il passaggio da uno stato differenziato a uno meristematico

La pianta possiede dei meccanismi in grado di coordinare il differenziamento con la posizione cellulare.

La cellula vegetale, se dislocata in una posizione diversa da quella precedentemente occupata, è quasi sempre in grado di esprimere il destino cellulare appropriato alla sua nuova posizione.

Parte essenziale del programma/pattern di sviluppo è l’abilità delle cellule di rispondere a informazioni posizionali provenienti da cellule vicine.

L’informazione posizionale implica:

• Segnalazioni a breve distanza da cellula a cellula attraverso i plasmodesmi (cell-to-cell signaling)
• Segnalazioni a lunga distanza affidate a gradienti di concentrazione di morfogeni che forniscono a popolazioni di cellule inizialmente omogenee informazioni relative alla loro posizione reciproca rendendole competenti per il differenziamento
  • Morfogeno: sostanza che, presente in un gradiente di concentrazione, è direttamente coinvolta (in funzione della concentrazione) nella definizione di piani di sviluppo con funzione di istruzione per le cellule sensibili
  • L’auxina agisce da morfogeno in quanto è implicata in vari eventi di sviluppo e differenziamento e mostra gradienti di concentrazione che vengono attivamente mantenuti e controllati dalle proteine PIN e che, se alterati, risultano in difetti di sviluppo

Meccanismi di differenziamento

D: Dove avvengono le divisioni cellulari?

D: Qual è la frequenza di divisione?

D: Qual è la posizione del piano di divisione?

D: Cos’è la divisione asimmetrica?

La forma dell’organismo vegetale è data da:

• Orientamento spaziale delle divisioni cellulari
  • Periclinali (parallele alla superficie dell’organo)
  • Anticlinali (perpendicolari alla superficie)
  • Diagonali
• Differenze nel ritmo della proliferazione cellulare

Destino cellulare, pattern di sviluppo e forma vegetali sono regolati:

• Da fattori intrinseci
  • Lineage
• Da fattori estrinseci
  • Età
  • Posizione
  • Apporto di nutrienti
  • Fitormoni
  • Parametri ambientali

Determinanti intrinseci: una molecola che è distribuita in modo non omogeneo nella cellula madre per cui solo una delle due cellule figlie lo erediterà in seguito alla divisione.

Determinanti estrinseci (ambiente extracellulare): l’esposizione a segnali esterni può influenzare la modalità di divisione della cellula madre o i destini differenziativi delle cellule figlie.

Il programma/pattern di sviluppo specifico viene attuato attraverso:

1. Divisione asimmetrica: il differenziamento delle cellule e la forma dell’organismo possono originare per divisione cellulare asimmetrica che produce due cellule figlie che adottano destini differenziativi diversi.
   • Meccanismi di divisione asimmetrica intrinseci
     • Per polarità della cellula madre: le cellule figlie ereditano l’informazione per il destino cellulare per lineage/discendenza diretta.
   • Meccanismi di divisione asimmetrica estrinseci
     • Le cellule figlie acquisiscono il destino cellulare per cell-to-cell signaling (comunicazione cellula-cellula).
     • Le cellule figlie acquisiscono il destino cellulare per informazione posizionale.
2. Gradienti di morfogeni: l’informazione posizionale proviene generalmente da un particolare segnale chimico, definito morfogeno, che diffonde da un gruppo di cellule lungo l’asse corporeo, instaurando un gradiente di concentrazione.
   • Le diverse concentrazioni di morfogeni esercitano la loro azione regolando in modo differenziale l’espressione genica nelle relative cellule bersaglio.
3. Morte cellulare programmata

La generazione contemporanea di due tipi di cellule (una cellula staminale e una derivata destinata al differenziamento) può quindi essere raggiunta in due modi:

1. La cellula staminale madre si divide asimmetricamente a livello molecolare e/o morfologico, segregando specifiche molecole in modo da guidare il destino differenziativo diverso delle cellule figlie.
   • Es: meristema apicale della radice.
2. La cellula staminale madre si divide simmetricamente e le cellule figlie acquisiscono il proprio destino in base alla posizione che occupano: quella all’interno della nicchia rimane staminale mentre quella che viene spinta fuori dai confini della nicchia per effetto di divisione e aumento di massa cellulare diventa cellula intermedia.
   • Es: meristema apicale del germoglio.

Le informazioni posizionali indicano i segnali molecolari che le cellule ricevono in base alla loro posizione.

Cellule circostanti possono influenzare il destino differenziativo di una cellula creando ambienti/nicchie istruttivi per la presenza di molecole segnale.

La distribuzione delle molecole segnale è condizione necessaria e sufficiente per istruire le cellule circa il loro destino differenziativo.

Essendo le cellule vegetali immobili durante lo sviluppo è difficile discernere gli effetti collegati all’origine per discendenza (cell lineage) dall’effetto di posizione.

L’analisi clonale/settoriale di chimere (mosaici genetici) è utile per chiarire la questione del destino cellulare e del ruolo della discendenza nello sviluppo e per la costruzione di mappe presuntive.

Oggi è noto che lo sviluppo finale di una cellula vegetale (il suo "destino differenziativo") non è tanto determinato dalla sua appartenenza a una discendenza (appartenenza ad una linea derivata dalla divisione di una particolare cellula), quanto dalla posizione che occuperà nel momento in cui intraprende il processo differenziativo (posizione finale in un organo emergente, che determina il tipo di cellula in cui si differenzierà).

A differenza dei sistemi animali, non ci sono nei vegetali cellule che sono già dall’inizio determinate per la formazione di specifiche strutture ma il loro destino è in funzione della posizione occupata in ogni momento (che può mutare per spostamenti indiretti).

Le nicchie sono quindi ambienti fondamentali per mantenere l’identità staminale.

Le nicchie delle cellule staminali sono localizzate all’interno dei meristemi.

Morfogeni

I determinanti estrinseci che influenzano lo sviluppo di un organismo sono definiti morfogeni.

Il gradente morfogenico principale nelle piante è quello di auxina (acido indolacetico).

Un morfogeno:

1. Forma un gradiente di concentrazione stabile
   • Il gradiente è mantenuto con dispendio energetico.
2. Agisce direttamente sul piano di sviluppo della cellula in cui il gradiente si è formato
   • Deve essere presente nella cellula un meccanismo di trasduzione del segnale che accoppi la presenza della molecola all’acquisizione del destino differenziativo/alla modificazione del profilo trascrizionale (espressione genica).
3. La risposta della cellula (attivazione della trascrizione di alcuni geni) al gradiente dipende dalla concentrazione.

Il morfogeno istruisce la cellula perché il gradiente di concentrazione si traduce in un’informazione codificata geneticamente.

All’interno di un tessuto, perché si formi il gradiente, sono necessari:

• Una sorgente di produzione del morfogeno/segnale
• Molecole di trasporto del morfogeno per la sua distribuzione in una direzione preferenziale

La presenza di più sorgenti localizzate in posizioni diverse genera flussi morfogenetici incrociati che generano gradienti complessi e i gruppi di cellule esposte alle diverse concentrazioni di morfogeno acquisiscono destini differenziativi diversi in funzione del gradiente a cui sono esposte.

La formazione di gradienti molecolari a partire da sorgenti è alla base della formazione di informazioni posizionali.

Sistemi modello

Arabidopsis thaliana

Arabidopsis è il principale organismo modello utilizzato modernamente per la ricerca in campo vegetale. È un’angiosperma dicotiledone appartenente alla famiglia delle Brassicaceae/Cruciferae di piccole dimensioni, dal genoma ridotto e dal rapido ciclo di sviluppo. Caratteristiche (morfologiche, molecolari, …) che rendono Arabidopsis un modello ideale per studi genetici e fisiologici.