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Embriogenesi

Nelle piante, il termine embriogenesi copre lo sviluppo dal momento della fecondazione fino alla dormienza. Il piano corporeo di base dello sporofito è stabilito durante l’embriogenesi; tuttavia, questo piano viene ribadito ed elaborato dopo la rottura della dormienza. Le principali sfide dell’embriogenesi sono

Stabilire il piano corporeo di base. Il patterning radiale produce tre sistemi di tessuti, e il patterning assiale stabilisce l’asse apicale-basale (germoglio-radice).

Porre da parte il tessuto meristematico per l’elaborazione postembrionale della struttura del corpo (foglie, radici, fiori, ecc.).

Per stabilire una riserva di cibo accessibile per l’embrione in germinazione fino a quando non diventa autotrofo.

L’embriogenesi è simile in tutte le angiosperme per quanto riguarda la creazione del piano corporeo di base (Steeves e Sussex 1989) (vedi Figura 20.15). Ci sono differenze nell’elaborazione del modello, tuttavia, comprese le differenze nella precisione dei modelli di divisione cellulare, l’estensione dello sviluppo dell’endosperma, lo sviluppo del cotiledone e l’estensione dello sviluppo del meristema del germoglio (Esau 1977; Johri et al. 1992).

Figura 20.15

Embriogenesi delle angiosperme. È mostrata una dicotomia rappresentativa; una monocotomia svilupperebbe solo un singolo cotiledone. Mentre ci sono modelli di base dell’embriogenesi nelle angiosperme, c’è un’enorme variazione morfologica tra le specie.

La polarità si stabilisce nella prima divisione cellulare dopo la fecondazione. L’instaurazione della polarità è stata studiata usando le alghe brune come sistema modello (Belanger e Quatrano 2000). Gli zigoti di queste piante sono indipendenti da altri tessuti e possono essere manipolati. La divisione cellulare iniziale dà come risultato una cellula più piccola, che formerà il rizoide (omologo della radice) e ancorerà il resto della pianta, e una cellula più grande, che dà origine al tallo (corpo principale dello sporofito). Il punto di ingresso dello sperma fissa la posizione dell’estremità rizoide dell’asse apicale-basale. Questo asse è perpendicolare al piano della prima divisione cellulare. La F-actina si accumula al polo rizoide (Kropf et al. 1999). Tuttavia, la luce o la gravità possono annullare questo fissaggio dell’asse e stabilire una nuova posizione per la divisione cellulare (Figura 20.13; Alessa e Kropf 1999). Una volta stabilito l’asse apicale-basale, le vescicole secretorie sono dirette al polo rizoide dello zigote (Figura 20.14). Queste vescicole contengono materiale per la crescita dei rizoidi, con una parete cellulare di distinta composizione macromolecolare. La secrezione mirata può anche aiutare a orientare il primo piano di divisione cellulare. Il mantenimento del destino del rizoide rispetto al tallo all’inizio dello sviluppo dipende dalle informazioni contenute nelle pareti cellulari (Brownlee e Berger 1995). Le informazioni sulle pareti cellulari sembrano essere importanti anche nelle angiosperme (riviste in Scheres e Benfey 1999).

Figura 20.13

Formazione degli assi nell’alga bruna Pelvetia compressa. (A) Una macchia di F-actina (arancione) si forma prima nel punto di ingresso dello sperma (il punto blu segna il pronucleo dello sperma). (B) In seguito, la luce è stata fatta brillare nella direzione della freccia. L’asse indotto dallo sperma (più…)

Figura 20.14

Divisione cellulare asimmetrica in alghe brune. Corso temporale da 8 a 25 ore dopo la fecondazione, che mostra le cellule algali colorate con un colorante di membrana vitale per visualizzare le vescicole secretorie, che appaiono per prime, e la placca cellulare, che comincia ad apparire circa (più…)

Anche lo schema corporeo di base delle angiosperme stabilito durante l’embriogenesi inizia con una divisione cellulare asimmetrica*, dando origine a una cellula terminale e una cellula basale (Figura 20.15). La cellula terminale dà origine all’embrione vero e proprio. La cellula basale si forma più vicino al micropilo e dà origine al sospensore. L’ipofisi si trova all’interfaccia tra il sospensore e l’embrione vero e proprio. In molte specie dà origine ad alcune delle cellule radicali. (Le cellule del sospensore si dividono per formare un organo filamentoso o sferico che degenera più tardi nell’embriogenesi). Sia nelle gimnosperme che nelle angiosperme, il sospensore orienta la superficie assorbente dell’embrione verso la sua fonte di cibo; nelle angiosperme, sembra anche servire come un condotto di nutrimento per l’embrione in sviluppo. La coltivazione di embrioni isolati di fagioli scarlatti con e senza il sospensore ha dimostrato la necessità di un sospensore fino allo stadio di cuore nelle dicotiledoni (Figura 20.16; Yeung e Sussex 1979). Gli embrioni coltivati con un sospensore hanno il doppio delle probabilità di sopravvivere rispetto agli embrioni coltivati senza un sospensore in questo stadio. Il sospensore può essere una fonte di ormoni. Nei fagioli scarlatti, gli embrioni più giovani senza sospensore possono sopravvivere in coltura se vengono integrati con l’ormone della crescita acido gibberellico (Cionini et al. 1976).

Figura 20.16

Ruolo del sospensore nell’embriogenesi delle dicot. La coltivazione di embrioni di fagiolo scarlatto con e senza i loro sospensori ha dimostrato che il sospensore è essenziale allo stadio di cuore, ma non più tardi. (Dopo Yeung e Sussex 1979.)

Poiché l’istituzione della polarità apicale-basale è uno dei risultati chiave dell’embriogenesi, è utile considerare perché il sospensore e l’embrione vero e proprio sviluppano morfologie uniche. Qui lo studio dei mutanti embrionali nel mais e nell’Arabidopsis è stato particolarmente utile. Le indagini sui mutanti del sospensore (sus1, sus2 e lampone1) dell’Arabidopsis hanno fornito prove genetiche che il sospensore ha la capacità di sviluppare strutture simili all’embrione (Figura 20.17; Schwartz et al. 1994; Yadegari et al. 1994). In questi mutanti, le anomalie nell’embrione vero e proprio appaiono prima delle anomalie del sospensore.† Esperimenti precedenti in cui l’embrione vero e proprio veniva rimosso hanno anche dimostrato che i sospensori possono svilupparsi come embrioni (Haccius 1963). Un segnale dall’embrione vero e proprio al sospensore può essere importante per mantenere l’identità del sospensore e bloccare lo sviluppo del sospensore come embrione. Le analisi molecolari di questi e altri geni stanno fornendo informazioni sui meccanismi di comunicazione tra il sospensore e l’embrione vero e proprio.

Figura 20.17

Il gene SUS sopprime lo sviluppo embrionale nel sospensore. (A) embrione wild-type e sospensore. (B) mutante sus con sospensore che si sviluppa come un embrione (freccia). (C) Modello che mostra come l’embrione vero e proprio sopprime lo sviluppo embrionale nel sospensore (più…)

I geni dell’effetto materno hanno un ruolo chiave nello stabilire il modello embrionale negli animali (vedi capitolo 9). Il ruolo dei geni extrazigoti nell’embriogenesi delle piante è meno chiaro, e la questione è complicata da almeno tre potenziali fonti di influenza: il tessuto sporofitico, il tessuto gametofitico e l’endosperma poliploide. Tutti questi tessuti sono in stretta associazione con l’uovo/zigote (Ray 1998). Lo sviluppo dell’endosperma potrebbe anche essere influenzato dai geni materni. In Arabidopsis sono stati identificati geni a effetto materno sporofitici e gametofitici, ed è probabile che il genoma dell’endosperma influenzi anche lo zigote. Il primo gene a effetto materno identificato, SHORT INTEGUMENTS 1 (SIN1), deve essere espresso nello sporofito per un normale sviluppo embrionale (Ray et al. 1996). Due fattori di trascrizione (FBP7 e FBP11) sono necessari nello sporofito della petunia per il normale sviluppo dell’endosperma (Columbo et al. 1997). Un gene dell’effetto materno dei gametofiti femminili, MEDEA (dal nome di Medea di Euripide, che uccise i propri figli), ha domini proteici simili a quelli di un gene dell’effetto materno della Drosophila (Grossniklaus et al. 1998). Curiosamente, MEDEA è nel gruppo dei geni Polycomb (vedi capitolo 9), i cui prodotti alterano la cromatina, direttamente o indirettamente, e influenzano la trascrizione. MEDEA influenza un gene imprinted (vedi capitolo 5) che è espresso dal gametofito femminile e da alleli ereditati dalla madre nello zigote, ma non da alleli ereditati dalla madre (Vielle-Calzada et al. 1999). Quanto siano significativi i geni ad effetto materno nello stabilire il piano corporeo dello sporofito è ancora una domanda senza risposta.

I modelli radiali e assiali si sviluppano man mano che la divisione e la differenziazione cellulare continuano (Figura 20.18; vedi anche Bowman 1994 per micrografie dettagliate dell’embriogenesi dell’Arabidopsis). Le cellule dell’embrione vero e proprio si dividono in piani trasversali e longitudinali per formare un embrione a stadio globulare con diversi livelli di cellule. Superficialmente, questo stadio ha una certa somiglianza con la scissione negli animali, ma il rapporto nucleare/citoplasmatico non aumenta necessariamente. La forma emergente dell’embrione dipende dalla regolazione dei piani di divisione ed espansione cellulare, poiché le cellule non sono in grado di muoversi e rimodellare l’embrione. I piani di divisione cellulare nello strato esterno delle cellule diventano ristretti, e questo strato, chiamato protoderma, diventa distinto. Il patterning radiale emerge allo stadio globulare quando i tre sistemi di tessuto (dermico, terreno e vascolare) della pianta sono iniziati. Il tessuto dermico (epidermide) si forma dal protoderma e contribuisce agli strati protettivi esterni della pianta. Il tessuto terrestre (corteccia e midollo) si forma dal meristema terrestre, che si trova sotto il protoderma. Il procambio, che si forma nel nucleo dell’embrione, darà origine al tessuto vascolare (xilema e floema), che funzionerà nel sostegno e nel trasporto. La differenziazione di ogni sistema di tessuto è almeno parzialmente indipendente. Per esempio, nel mutante keule dell’Arabidopsis, il sistema dermico è difettoso mentre i sistemi di tessuto interno si sviluppano normalmente (Mayer et al. 1991).

Figura 20.18

Radiale e assiale. (A) Il patterning radiale nelle angiosperme inizia nello stadio globulare e risulta nella costituzione di tre sistemi di tessuti. (B) Il pattern assiale (asse germoglio-radice) è stabilito dallo stadio cardiaco.

La forma globosa dell’embrione si perde con la formazione dei cotiledoni (“prime foglie”). Le Dicot hanno due cotiledoni, che danno all’embrione un aspetto a forma di cuore quando si formano. Il piano assiale del corpo è evidente in questa fase di sviluppo del cuore. Gli ormoni (in particolare le auxine) possono mediare la transizione dalla simmetria radiale a quella bilaterale (Liu et al. 1993). Nelle monocotiledoni, come il mais, emerge un solo cotiledone.

In molte piante, i cotiledoni aiutano a nutrire la pianta diventando fotosintetici dopo la germinazione (anche se quelli di alcune specie non emergono mai dal terreno). In alcuni casi, ad esempio nei piselli, la riserva di cibo nell’endosperma si esaurisce prima della germinazione e i cotiledoni fungono da fonte di nutrimento per la piantina in germinazione.‡ Anche in presenza di un endosperma persistente (come nel mais), i cotiledoni conservano riserve di cibo come amido, lipidi e proteine. In molte monocotiledoni, il cotiledone cresce in un grande organo premuto contro l’endosperma e aiuta il trasferimento dei nutrienti alla piantina. I cotiledoni eretti possono dare all’embrione una forma a siluro. In alcune piante, i cotiledoni crescono sufficientemente lunghi che devono piegarsi per adattarsi ai confini del rivestimento del seme. L’embrione sembra allora un bastone da passeggio. A questo punto, il sospensore sta degenerando.

Il meristema apicale del germoglio e il meristema apicale della radice sono gruppi di cellule staminali che persistono nella pianta postembrionale e danno origine alla maggior parte del corpo dello sporofito. Il meristema radicale è parzialmente derivato dall’ipofisi in alcune specie. Tutte le altre parti del corpo dello sporofito derivano dall’embrione vero e proprio. L’evidenza genetica indica che la formazione dei meristemi del germoglio e della radice è regolata in modo indipendente. Questa indipendenza è dimostrata dal mutante dek23 del mais e dal mutante shootmeristemless (STM) dell’Arabidopsis, entrambi i quali formano un meristema radicale ma non riescono a iniziare un meristema di germoglio (Clark e Sheridan 1986; Barton e Poethig 1993). Il gene STM, che è stato clonato, è espresso nel tardo stadio globulare, prima della formazione dei cotiledoni. Sono stati anche identificati dei geni che influenzano specificamente lo sviluppo dell’asse radicale durante l’embriogenesi. Le mutazioni del gene HOBBIT in Arabidopsis (Willemsen et al. 1998), per esempio, influenzano i derivati dell’ipofisi ed eliminano la funzione del meristema radicale.

Il meristema apicale del germoglio darà inizio alle foglie dopo la germinazione e, infine, alla transizione allo sviluppo riproduttivo. In Arabidopsis, i cotiledoni sono prodotti dal tessuto embrionale generale, non dal meristema del germoglio (Barton e Poethig 1993). In molte angiosperme, alcune foglie sono iniziate durante l’embriogenesi. Nel caso dell’Arabidopsis, l’analisi clonale indica la presenza di foglie nell’embrione maturo, anche se non sono morfologicamente ben sviluppate (Irish e Sussex 1992). L’analisi clonale ha dimostrato che i cotiledoni e le prime due foglie vere del cotone derivano dal tessuto embrionale piuttosto che da un meristema organizzato (Christianson 1986).

Gli esperimenti di analisi clonale forniscono informazioni sui destini cellulari, ma non indicano necessariamente se le cellule sono determinate o meno per un particolare destino. Si dimostra che cellule, tessuti e organi sono determinati quando hanno lo stesso destino in situ, in isolamento e in una nuova posizione nell’organismo (vedi McDaniel et al. 1992 per maggiori informazioni sugli stati di sviluppo nelle piante). L’analisi clonale ha dimostrato che le cellule che si dividono nel piano sbagliato e si “spostano” in un diverso strato di tessuto spesso si differenziano secondo la loro nuova posizione. La posizione, piuttosto che l’origine clonale, sembra essere il fattore critico nella formazione del modello embrionale, suggerendo un qualche tipo di comunicazione cellula-cellula (Laux e Jurgens 1994). Esperimenti di microchirurgia su embrioni somatici di carota dimostrano che pezzi isolati di embrione possono spesso sostituire il complemento mancante di parti (Schiavone e Racusen 1990; Scheres e Heidstra 1999). Un cotiledone rimosso dall’apice del germoglio sarà sostituito. I germogli embrionali isolati possono rigenerare una nuova radice; il tessuto radicale isolato rigenera i cotiledoni, ma ha meno probabilità di rigenerare l’asse del germoglio. Anche se la maggior parte delle cellule embrionali sono pluripotenti e possono generare organi come cotiledoni e foglie, solo i meristemi mantengono questa capacità nel corpo vegetale postembrionale.