Riassunto esame di Biologia dello Sviluppo Vegetale

MATURAZIONE

2. maturazione: l’embrione accumula sostanze di riserva che serviranno per supportare la

germinazione e la crescita della giovane plantula nella sua fase eterotrofa; durante questa fase la

germinazione precoce deve essere inibita

a. stadio maturo: l’embrione maturo contiene gli elementi necessari per sostenere le

successive fasi di crescita post-embrionale:

i. apici meristematici

ii. procambio (lungo l’asse maggiore implicato nella produzione dei

tessuti del sistema vascolare

iii. cotiledoni (con funzione di riserva o fotosintetica)

3. disidratazione: è caratterizzata da processi biochimici e fisiologici che permettono all’embrione di

entrare in un periodo di dormienza/quiescenza

4. (germinazione): riprendono i processi di crescita e morfogenesi della plantula (è finita la fase di

embriogenesi)

Auxina

- L’auxina è un ormone vegetale che agisce sulle cellule inducendo la curvatura fototropica

- Il modello chemiosmotico per il trasporto polare dell’auxina propone che l’ingresso nella cellula di auxina

sia guidato da una forza proton-motrice mentre l’efflusso di auxina sia guidato da un potenziale di

membrana

- La differenza di pH tra citosol (circa 7) e parete cellulare (circa 5) è mantenuta da ATPasi sulla membrana

cellulare che pompano protoni verso la parete

- L’auxina (pK = 4,75) quando si trova nell’apoplasto è in forma protonata/neutra, è in grado di

a

attraversare la membrana cellulare passivamente per entrare nella cellula

- L’auxina quando si trova nel citoplasma è in forma deprotonata/carica, non è in grado di attraversare

passivamente la membrana

- L’efflusso polarizzato di auxina è mediato dalla localizzazione specifica di carriers: PIN

- Accumuli di auxina promuovono la crescita del tessuto

- L’auxina è il principale morfogeno durante l’embriogenesi vegetale in quanto conferisce informazione

posizionale alle cellule, agendo direttamente sul loro piano di sviluppo, mediante un gradiente di

concentrazione stabile (e la risposta delle cellule al gradiente dipende dalla concentrazione)

- Il gradiente si forma grazie alla distribuzione dei carriers PIN per l’auxina

- Disturbi nel movimento dell’auxina causano difetti nello sviluppo embrionale

- Per studiare il flusso di auxina nella pianta, l’effetto delle proteine PIN sul movimento di auxina e l’effetto

finale sullo sviluppo si utilizzano varie tecniche e costrutti tra cui il gene reporter DR5, che consente di

individuare le cellule in cui si ha accumulo di auxina, e il gene reporter PIN1-GFP

- Attraverso la trasformazione con il costrutto DR5::GFP (DR5 è un promotore sintetico auxina-indicibile e la

GFP agisce da reporter) è possibile seguire in vivo il processo di distribuzione dell’auxina nell’embrione in

via di sviluppo la cui distribuzione risulta asimmetrica fin dalle prime fasi di sviluppo

- Allo stadio di proembrione l’auxina è principalmente accumulata nella cellula apicale

- Allo stadio a ottante l’auxina è principalmente accumulata nelle cellule dell’embrione propriamente detto

(esclusa da ipofisi e sospensore)

- Allo stadio globulare medio (32 cellule) l’auxina è accumulata nell’ipofisi e in poche cellule superiori del

sospensore subendo un’inversione dalla parte apicale dell’embrione alla parte basale

- A partire dallo stadio globulare tardivo l’auxina è sintetizzata nella zona centrale superiore dell’embrione

- Durante il successivo sviluppo embrionale l’auxina si trova a maggiori concentrazioni nell’ipofisi e in poche

cellule superiori del sospensore

- Le cellule derivate dalla divisione dell’ipofisi continuano a mantenere alte concentrazioni di auxina

- Allo stadio di torpedine, dopo l’organizzazione del centro quiescente, il picco di auxina si sposta alle

sottostanti cellule della columella (dove permarrà per il resto della vita della pianta) e compaiono altre

zone ad alta concentrazione di auxina all’apice dei cotiledoni e nel tessuto provascolare

- La distribuzione dell’auxina durante l’embriogenesi dipende principalmente dai trasportatori di auxina

PIN1 e PIN7 come dimostrato dallo studio di mutanti gnom e pin

- Nella transizione dallo stadio globulare allo stadio triangolare e a cuore, l’auxina è canalizzata dalle PIN1 e

si concentra all’apice degli abbozzi dei cotiledoni permettendo il passaggio dalla simmetria radiale a quella

bilaterale

- Mutanti in geni che hanno un ruolo nel trasporto dell’auxina o in altri aspetti connessi con le sue funzioni

ormonali (monopteros, pin, gnom, …) mostrano difetti nell’instaurarsi della simmetria bilaterale suggerendo

che l’auxina abbia effettivamente un ruolo importante in questo processo

- Interferendo con il gradiente di auxina tramite esposizione a auxina sintetica o brefeldina A (inibitore del

flusso auxinico) si dimostra inoltre l’incapacità dell’embrione di stabilire la simmetria apico-basale

- AUXIN SIGNALING COMPONENTS: componenti molecolari della trasduzione del segnale auxina

TIR1/AFB

1. SCF ubiquitin ligase complex (recettore)

 TIR1/AFB è un componente del complesso che agisce come recettore per l’auxina e collega

direttamente la presenza di auxina alla degradazione dei repressori trascrizionali per i geni

promossi dall’ormone

 SCF è un complesso E3 ubiquitina ligasi multiproteico che catalizza l’ubiquitinizzazione di

proteine destinate alla degradazione proteasomiale

 TIR1, AXR6

2. Aux/IAA inhibitor proteins

 Aux/IAA sono repressori trascrizionali che legano ARF impedendo la trascrizione dei geni

sotto il controllo di AuxRE (sequenze genomiche)

 BODENLOS

3. DNA-binding AUXIN RESPONSE FACTORs (ARF)

 Le ARF sono proteine che riconoscono e si legano alle AuxRE sul DNA

 MONOPTEROS

4. Auxin

- L’auxina permette il legame di SCF-TIR1 al repressore AUX/IAA con conseguente degradazione del

repressore risultante nell’attivazione (ARFs) dell’espressione di geni sensibili a auxina

- Riassunto:

 Un gradiente apico-basale di auxina guida lo sviluppo embrionale e determina la forma

dell’embrione

 Il gradiente auxinico è formato (e mantenuto) dal trasporto dell’ormone mediato da carriers di

efflusso (PINs)

 Disturbando la formazione del gradiente (ad es. attraverso mutazione nei geni PIN, inibizione

chimica del trasporto di auxina o sovradosaggio di auxina) lo sviluppo dell’embrione è alterato

 Accumuli localizzati di auxina determinano i pattern di divisione e distensione cellulare

 L’auxina funziona influenzando l’espressione genica, in particolare di geni che definiamo

collettivamente della crescita

 L’auxina non agisce direttamente sul promotore dei geni

 Alte concentrazioni di auxina sono necessarie per degradare un repressore che blocca la

trascrizione

 Nello sviluppo la distribuzione di IAA varia:

o nelle prime divisioni IAA è soprattutto apicale

o dallo stadio globulare la IAA è accumulata nell’ipofisi e nella prima cellula del sospensore

(corrisponde all’inizio dello sviluppo di RAM)

o allo stadio di transizione la IAA è chiaramente localizzata al putativo RAM

o dallo stadio torpedine anche i due apici di cotiledoni sintetizzano IAA assieme all’apice

radicale stabilendo anche un accenno di vascolatura

- Auxina e sviluppo:

 un gradiente apico-basale di IAA guida lo sviluppo embrionale e ne determina la forma

 il gradiente di IAA è formato e mantenuto da PIN

 alterazione del gradiente altera lo sviluppo embrionale

 IAA causa, in base alla concentrazione, l’allungamento o la proliferazione cellulare

 accumuli localizzati di IAA determinano i pattern di divisione e distensione cellulare

 IAA influenza l’espressione genica in particolare i geni della crescita

 IAA non agisce direttamente sul promotore

 alte concentrazioni di IAA sono necessarie per degradare un repressore della trascrizione

Modello AXR6-MP-BDL

In assenza di auxina

- MONOPTEROS è un fattore di trascrizione ARF in grado di riconoscere e legare sequenze AuxRE (auxin

response elements) nei promotori dei geni di cui controlla l’espressione

- BODENLOS è una proteina repressore che interagisce con MONOPTEROS, bloccandone l’attività di

induttore trascrizionale

- TIR1 in assenza di auxina non è in grado di interagire con BODENLOS

- Di conseguenza i geni regolatori della crescita attivati dall’auxina non sono espressi

In presenza di auxina

- TIR1 lega l’auxina

- TIR1-IAA interagisce con BODENLOS mediandone il rilascio da MONOPTEROS

- MONOPTEROS, legato alla AuxRE, può attivare la trascrizione del gene regolatore della crescita in

presenza di auxina

Meristemi

D: Cosa sono i meristemi?

D: Quando si formano i meristemi?

D: Organizzazione dei meristemi e loro mantenimento

D: Cellule staminali e loro mantenimento

D: Sviluppo degli organi a partire dai meristemi

- Nel corso dello sviluppo embrionale si stabilisce precocemente la polarità longitudinale, seguita dalla

comparsa delle regioni meristematiche apicali caulinare e radicale

- Questi meristemi non contribuiscono significativamente allo sviluppo embrionale stesso ma sono

determinanti per gli stadi post-embrionali che per questo sono oggetto di analisi nella biologia dello

sviluppo

- La crescita indefinita delle piante è possibile per la presenza di gruppi di cellule iniziali, attive per tutta la

vita dell’organismo, localizzate e organizzate nei meristemi

- Le regioni meristematiche sono zone ad attiva crescita con cellule in divisione

- I meristemi sono le popolazioni cellulari organizzate nelle quali la divisione avviene in modo ordinato

originando uno specifico modello di distribuzione di cellule e tessuti

- Le cellule meristematiche sono quelle che mostrano attività proliferativa e sono morfologicamente

caratterizzate da nuclei voluminosi, citoplasma denso, scarsa vacuolizzazione, parete primaria sottile,

plastidi poco differenziati, abbondanti plasmodesmi

- Tra le cellule meristematiche si distinguono in base alla frequenza di divisione e alla posizione occupata

all’interno del meristema:

 cellule fondatrici/staminali

 cellule iniziali/staminali

 cellule derivate

- Le cellule derivate sono le cellule generate dalle staminali destinate al differenziamento, caratterizzate da

attività proliferativa intensa ma limitata nel tempo, costituendo una popolazione di cellule intermedie fra

quelle staminali e quelle completamente differenziate

Tipi di meristemi

- In base all’origine, si distinguono:

 meristemi primari: formati durante l’embriogenesi

 meristemi secondari: originati durante la vita post-embrio