Nelle piante l’embrione deriva solo da uno zigote fecondato?

1. Nelle piante l’embrione deriva solo da uno zigote fecondato?

2. La capacità delle piante di produrre embrioni non è limitata solo allo sviluppo della cellula uovo fecondata. Cellule somatiche sono in grado di sviluppare una pianta completa passando attraverso stadi embrionali senza però passare attraverso la fusione dei gameti. Questo processo è noto come EMBRIOGENESI AVVENTIZIA O SOMATICA L'embriogenesi somatica quindi è il processo per cui cellule somatiche, e non, sviluppano interi organismi attraverso una serie di stadi molto simili a quelli dello sviluppo dell'embrione zigotico (fase globulare, a cuore, torpedo, cotiledonare). In natura avviene naturalmente solo in pochissime specie, ed i tessuti competenti sono sia tessuti implicati nella riproduzione, ad es. le cellule della nucella (entro l’ovulo), le microspore, ma anche cellule somatiche quali tessuti fogliari.

3. In Crassula multicava cellule dell’epidermide fogliare, dopo che la foglia è stata staccata dalla pianta, riprendono a dividersi e formano embrioni avventizi che successivamente differenziano piante. (Esempio di induzione di embrioni somatici mediante stress meccanico). Le cellule della foglia in condizioni naturali non differenzierebbero mai embrioni, però il distacco dalla pianta (meccanicamente) riattiva alcune cellule epidermiche alla divisione ed alla successiva organizzazione di embrioni.

4. Sebbene il controllo genico dello sviluppo degli embrioni zigotici e somatici sia simile, i meccanismi che portano alla fase di induzione embrionale è molto diversa nei due processi. Le cellule somatiche acquisiscono competenza embriogenica in seguito a trattamenti chimici e/o stimoli meccanici. L’organizzazione di embrioni somatici richiede una riprogrammazione dell’espressione genica con l’attivazione e/o spegnimento di una serie di geni per permettere ad alcune cellule il passaggio dalla condizione vegetativa alla condizione embrionale.

5. L’embriogenesi somatica può essere indotta sia direttamente, in cellule appartenenti ad una struttura già differenziata (foglie, stelo, radici, cotiledoni ecc.) sia indirettamente in calli allevati su un mezzo agarizzato o in sospensioni cellulari. L’embriogenesi somatica diretta avviene, in coltura in vitro, da tessuti o cellule già determinate a produrre embrioni, prima del prelievo dalla pianta madre. Questi espianti richiedono pochi regolatori di crescita (ormoni) o solo condizioni ambientali favorevoli alla ripresa delle divisioni cellulari e alla successiva espressione della loro competenza, cioè produrre embrioni. Diversamente, l’embriogenesi somatica indiretta richiede che ai tessuti di partenza venga modificato il loro destino. Questo è possibile inducendoli a proliferare inizialmente in masse cellulari (callo) indifferenziate. Solo successivamente alcune cellule di callo vengono indotte a dare origine ai PEM (masse pro-embriogeniche), è a trasformarsi in embrioni somatici.

6. Esempi di tessuti che producono embrioni somatici direttamente: l’epidermide dell’ipocotile, e le cellule della nucella. Nell’embriogenesi indiretta, una singola cellula del callo o, nella maggior parte dei casi, un aggregato di cellule detto complesso pro-embrionale può originare uno o più embrioni. Ogni embrione che si sviluppa passa attraverso le stesse fasi di sviluppo dell’embrione zigotico.

7. Dal Libro di testo: Elementi di Biologia dello Sviluppo delle Piante, ed. EdiSES

8. Differenze fra embriogenesi zigotica e somatica: I due processi sono morfologicamente identici dallo stadio globulare in poi. Possono esserci piccole differenze perché gli embrioni somatici presentano spesso il fenomeno della “fasciazione”, o un numero di cotiledoni diverso rispetto a quello tipico della specie. Però le prime fasi di sviluppo possono essere differenti nei due processi, in particolare manca il sospensore nell’embrione avventizio. Nell’embriogenesi somatica è frequente il fenomeno della formazione di embrioni a partire direttamente dall’epidermide di un altro embrione somatico. Si chiamano embrioni secondari. In genere la produzione di embrioni secondari è associata al fallimento dello sviluppo di quello primario

9. Importante è la composizione del mezzo di coltura per indurre embriogenesi somatica. In genere sono richiesti due tipi diversi di mezzi, uno per l’induzione delle cellule embriogeniche ed un secondo per il successivo sviluppo dell’embrione. Il primo mezzo deve contenere auxina, il secondo ne deve essere privo o ne deve contenere una concentrazione notevolmente inferiore rispetto al primo

10. Se non intervengono eventi che inducano variazione genetica nelle cellule che danno origine all’embrione somatico, le piante ottenute da embrioni somatici sono geneticamente identiche ai tessuti somatici di partenza. però Eventi di variazione somaclonale sono frequenti nelle colture in vitro (v.Lezione su Colture in vitro di cellule e tessuti per la definizione di variazione somaclonale).

11. Il rimodellamento della cromatina è un prerequisito per lo stabilirsi della totipotenza nelle cellule staminali durante l’embriogenesi somatica • Negli animali il rimodellamento della cromatina è un importante strumento di conversione staminale. • Nelle piante la struttura della cromatina si rimodella continuamente durante lo sviluppo, ed il silenziamento genico dipendente dalla cromatina è coinvolto nel mantenimento dello stato differenziato.

12. Le cellule staminali presentano uno stato della cromatina più dinamico delle cellule differenziate perchè proteine strutturali della cromatina, come gli istoni, sono scambiati più rapidamente nelle cellule staminali che nelle cellule differenziate e questo favorisce rapidi cambiamenti nei programmi di espressione genica.

13. La ristrutturazione della cromatina svolge due ruoli principali nei primi stadi dell’embriogenesi somatica • Sia nell’embriogenesi diretta che nella indiretta, l’”unfolding” della cromatina è richiesto per lo sdifferenziamento delle cellule somatiche.Perchè? • E’ necessario per consentire l’espressione di geni che sono stati inattivati dalla eterocromatizzazione che ha luogo durante il processo del differenziamento.

14. Il rimodellamento della cromatina è anche necessario alla fine del processo embriogenico • Perchè? • Per reprimere i geni specifici dell’embriogenesi, riattivando il differenziamento, almeno in specifici distretti cellulari dell’embrione somatico.

15. E quando questo non avviene???(ad es. per ritardo/alterazione del “refolding” della cromatina) • La formazione di embrioni somatici non può essere arrestata (evento dell’embriogenesi secondaria).

16. I principali programmi epigenetici che regolano le decisioni del destino cellulare attraverso modifiche della cromatina sono comuni a piante ed animali • Quali sono? • Metilazione del DNA e degli istoni. Negli animali c’è una regolazione reciproca fra I due programmi, con un ruolo importante per l’interazione fisica delle proteine che modificano gli istoni e le DNA metiltransferasi.

17. Le proteine Polycomb mantengono inattivi I geni bersaglio stabilendo modificazioni repressive degli istoni, ad es. metilazione. • In Arabidopsis, varianti del Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) regolano vari processi, come lo sviluppo del seme e la transizione da embrione a plantula. • Le varianti delle piante di PRC2 catalizzano la trimetilazione della lisina 27 all’istone H3 (H3K27me3) • H3K27me3 è un marcatore repressivo della dinamica dell’espressione genica agendo come principale protagonista del meccanismo di silencing.

18. Quindi per avere embriogenesi H3K27me3 deve essere represso • Infatti, in Arabidopsis, i mutanti PRC2 con livelli ridotti di H3K27me3 hanno i tratti embriogenici de-repressi

19. Il fattore di rimodellamento della cromatina PICKLE deve essere represso per avere embriogenesi somatica • PICKLE (PKL) appartine ad una famiglia genica che può o reprimere o attivare l’espressione genica dipendendo dai fattori a cui si associa. • In Arabidopsis, PKL promuove la trimetilazione dell’istone H3 lysine 27 facilitando la repressione di specifici geni. Il fenotipo del mutantepickle (pkl) è caratterizzato dall’espressione post-embrionale di geni marcatori specifici dell’embrione, come LEAFY COTYLEDON (LEC) e dalla spontanea rigenerazione di embrioni somatici sulle radici.

20. Quindi, se PKL viene silenziato... • La sua perdita genera una finestra di opportunità, attraverso cui il programma trascrizionale dell’embrione ha il potenziale di poter essere ristabilito

21. Altri meccanismi epigenetici • L’ipermetilazione del DNA, per esempio causato dall’auxina esogena (l’ormone induttore), causa la formazione di cellule somatiche embriogeniche

22. Chi la media??? • La metilazione del DNA è mediata da almeno tre classi di metiltransferasi. La METHYLTRANSFERASE1 (MET1) è una delle tre. Embrioni met1 (somatici e zigotici) si sviluppano in modo improprio.

23. Sembra che un’azione concertata di metilazione del DNA e demetilazione degli istoni sia essenziale all’induzione di embrioni somatici • Durante lo sviluppo del seme, Arabidopsis MET1 interagisce con MEDEA,uno dei componenti del complesso FERTILIZATION INDEPENDENT SEED (FIS) -PRC2, dimostrando che un’azione concertata dei programmi epigenetici di metilazione del DNA e metilazione degli istoni regola le variazioni dei cambiamenti di sviluppo

24. Altre modificazioni... • Le modificazioni della cromatina includono l’acetilazione delle code istoniche per il rilassamento del “packing” del DNA, al fine di facilitarne l’accesso da parte di molte proteine regolatrici • L’iperacetilazione degli istoni si associa ad attiva espressione genica, mentre l’ipoacetilazione si correla a repressione genica.

25. L’attività di numerosi fattori di trascrizione è coinvolta nella riprogrammazione della totipotenza necessaria all’embriogenesi somatica • E questo è in accordo con quanto ha luogo nelle cellule somatiche umane ove una specifica combinazione di FT ri-programma le cellule differenziate in cellule staminali.

26. La lista dei FT che influenzano l’induzione dell’embriogenesi somatica include WUSCHEL (WUS), geni WUSCHEL- related homeobox (WOX), AGAMOUS-LIKE15 (AGL15), LEAFY COTYLEDON (LEC), e geni MYB come EMBRYOMAKER .

27. AGL15 • In Arabidopsis e riso, le proteine a dominio MADS, come AGL15, svolgono ruoli importanti in vari eventi dello sviluppo, come tempo di fioritura, organogenesi del fiore e del frutto e sviluppo del seme.

28. AGL15 accentua l’embriogenesi somatica riducendo i livelli dell’acido gibberellico (GA) attraverso l’induzione di una GA2-ossidasi che inattiva GA, inoltre è un componente del complesso SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR-LIKE KINASE 1 (SERK1)

29. WUSCHEL • Durante l’embriogenesi zigotica in ArabidopsisWUS si esprime prima dello stabilirsi della nicchia staminale nell’apice caulinare. • Nella stessa pianta la sovraespressione di WUS causa aumento dell’embriogenesi somatica senza alcun fitormone esterno, suggerendo che questo FT sia coinvolto nel processo di embriogenesi somatica promuovendo la transizione vegetativo-embriogenica. Inoltre, l’induzione di WUS ha luogo prima di quella di CLV3, marcando i gruppetti cellulari iniziali dell’embriogenesi.

30. WOX • I geni WOX svolgono ruoli importanti nel coordinare la trascrizione nelle prime fasi dell’embriogenesi somatica in Vitis vinifera.VvWOX2 e VvWOX9 sono quelli più espressi, vengono definiti geni di identità embrionale. • Nell’embriogenesi somatica di ArabidopsisWOX5 and WUS si esprimono prima dei geni di identità embrionale, ad es. diWOX2

31. LEC e LEC-like • LEC1 codifica una proteina simile ad una subunità di Heme-Activated Proteins 3 (HAP3). LEC1-LIKE (LIL) è anche richiesto per lo sviluppo dell’embrione somatico in numerose piante, es.cacao. I geni LEC-like sembrano importanti per coordinare eventi primari che portano alla competenza embriogenica. LEC2 and FUS3 presentano un motivo di legame al DNA (B3) unico degli FT delle piante. • La formazione di embrioni somaticida parte dell’auxina richiede la funzione dei geni LEC

32. L’auxina:livelli, trasporto e biosintesi • Gradienti di auxina attivano nel callo embriogenico il trasportatore polare di auxina PIN1, e la soppressione di WUS e PIN1 mostra che entrambi i geni sono necessari all’induzione dell’embriogenesi somatica. • …e LEC???

33. I carrier di efflusso dell’auxina PIN1 e PIN2, i geni della biosintesi dell’auxina YUCCA2 (YUC2) e YUCCA4 (YUC4) ed I fattori di risposta all’auxina ARF5, ARF8, ed ARF10, e SERK1 sono controllati da LEC2

34. L’auxina endogena promuove la rottura di alcune proteine auxin/IAA (AUX/IAA) (repressori), che, quando attivi, bloccano i Fattori di Risposta all’Auxina (ARF) formando dimeri inattivi. L’inattivazione delle AUX/IAA consente agli ARF di legare gli elementi di risposta all’auxina presenti sui geni di risposta all’ormone, provocandone l’attivazione. • Tuttavia gli stessi AUX/IAA sono rapidamente indotti dall’ auxina, che così restaura la repressione degli ARF, perchè? Per ridare equilibrio al sistema

35. MONOPTEROS • MP (ARF5) è un gene chiave dell’embriogenesi zigotica ove influenza il trasporto polare dell’auxina attraverso l’attivazione di PIN1. • Gli embrioni somatici non si formano quando il trasporto auxinico è inibito e MP represso.

36. Il 2,4-D può agire direttamente come auxina, oppure può modificare il metabolismo intracellulare dell’IAA e/o agire come induttore di stress attivando geni di risposta allo stress (es. ROS).

37. Etilene???? • I ruoli dell’etilene nell’induzione dell’embriogenesi somatica non sono ben conosciuti, perchè sono stati ottenuti sia risultati di promozione che di inibizione in specie diverse e diversi sistemi di coltura in vitro.

38. Acido gibberellico • In Arabidopsis, i livelli endogeni di GA si correlano negativamente con il potenziale embriogenico. • In supporto del ruolo inibitorio, geni importanti per la regolazione negativa delle risposte-GA sono sovraespressi, come i geni DELLA

39. ABA • Nella carota l’applicazione di ABA alle plantule induce embriogenesi somatica ed anche causa embriogenesi secondaria. • L’ABA è indotto dallo stress ed induce i geni Late-Embryogenesis Abundant (LEA) nell’embriogenesi zigotica.

40. In Arabidopsis, AtECP31 e AtECP63 sono gli omologhi dei geni LEA della carota, e sono indotti dall’ ABA durante l’embriogenesi somatica, ed egualmente l’espressione del gene ABI3 è coinvolta AGL15 ha ruoli multipli, controlla anche ABI3, è anche capace di reprimere la sua stessa espressione e di attivare LEC2.

41. Le somatic-receptor-kinases sono coinvolte nel network di regolazione per l’induzione di cellule staminali e per il loro mantenimento nell’embriogenesi somatica I geni SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR-LIKE KINASE (SERK) sono infatti coinvolti nell’embriogenesi somatica in numerose monocotiledoni (es. Dactylis glomerata, riso, Triticum aestivum, noce di cocco, banana, mais) e dicotiledoni (es. A.thaliana, Medicago truncatula, Ocotea catharinensis, Citrus unshiu, Vitis vinifera, patata).

42. I geni SERK sono regolati dall’ auxina in alcune specie, e dall’ auxina e dalla citochinina in altre

43. Cyclamen persicum Mill. è una delle più importanti specie ornamentali invernali (in Europa la produzione annuale si aggira intorno ai 140 milioni di piante). Il solo modo commerciale di propagare il ciclamino è attraverso semi ibridi. L’embriogenesi somatica in Cyclamen persicum è un efficiente metodo per ottenere linee con eccellenti caratteri.

44. Il ruolo dei geni SERK nell’embriogenesi somatica del ciclamino è stata descritta, consulta il lavoro citato nella diapositiva successiva

45. Two SERK genes are markers of pluripotency in Cyclamen persicum Mill.Savona M, Mattioli R, Nigro S, Falasca G, Della Rovere F, Costantino P, De Vries S, Ruffoni B, Trovato M, Altamura MM. J Exp Bot. 2012;63(1):471-88. 

46. PEA, aggregato pre-embriogenico Sequenza istologica della formazione di embrioni somatici (A-I) sulmezzo induttivo Sviluppo degli embrioni sul mezzo diespressione (K-M) J Exp Bot. 2012;63(1):471-88.

47. CpSERK1 CpSERK2 CpSERK2 CpSERK1 CpSERK2 CpSERK1 CpSERK2 CpSERK2 Analisi dei profili di espressione dei geni CpSERK1 e CpSERK2 mediante “RNA in situ hybridization” durante l’embriogenesi somatica in C.persicum “RNA in situ hybridizations” usando sonde senso di CpSERK1 e CpSERK2 (controlli) J Exp Bot. 2012;63(1):471-88.

48. Risultati in pianta CpSERK1 CpSERK2 CpSERK1 CpSERK2 CpSERK2 CpSERK1 e CpSERK2 si esprimono nel ricettacolo, negli ovuli, nella nucella,nell’embriosacco, e, dopo la fecondazione, nell’embrione zigoticofino allo stadio di torpedine. L’espressione rimane nel procambio e nei poli radicale e caulinare dell’embrione allo stadio cotiledonare “RNA in situ hybridizations” con sonde senso di CpSERK1 e CpSERK2 (controlli) J Exp Bot. 2012;63(1):471-88.

49. L’embriogenesi somatica come risposta allo stress • L’embriogenesi somatica può essere considerata una risposta adattativa allo stress, perchè vari stress la inducono. Per esempio, in carota è stimolata dall’applicazione di sali di metalli pesanti (Cd 2+ , Ni 2+, Cu 2+ , Co 2+), alta pressione osmotica, alte temperature, tutto in assenza di fitormoni esogeni.

50. Anche il 2,4-D può funzionare come agente di stress per l’espianto • Durante l’embriogenesi della patata indotta da 2,4-D si osserva sovra-regolazione di geni dello stress ossidativo e della difesa.