Genetica Vegetale 1n PDF

LEZ 1 03/10/2023 Prof.ssa Comino STORIA DEL MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE Questo corso mira a riuscire a conoscere e studiare le piante nell’ottica di poterle migliorare, e tale processo di miglioramento si chiama plant breeding. Il fine dello studio è que...

LEZ 1 03/10/2023 Prof.ssa Comino STORIA DEL MIGLIORAMENTO GENETICO DELLE PIANTE Questo corso mira a riuscire a conoscere e studiare le piante nell’ottica di poterle migliorare, e tale processo di miglioramento si chiama plant breeding. Il fine dello studio è quello di creare delle piante che siano sempre meno impattanti sull’ambiente, cioè che riescano a produrre molto sfruttando meno risorse possibili (acqua, sali minerali) a temperature sempre maggiori. Inquadramento storico di ciò che verrà affrontato nel corso La vita sulla terra iniziò circa quattro miliardi di anni, ma l’Homo sapiens emerse come specie circa 200.000 anni fa. Nonostante sia una delle milioni di specie che esistono sulla Terra, è quella che ha avuto un maggiore impatto sulla terra, perché le nostre attività le attività umane hanno nel tempo causato quelli che sono i maggiori cambiamenti chimici, geologici, fisici, atmosferici e biologici del nostro pianeta. In questo arco di tempo, l’uomo ha operato dei profondi cambiamenti fisici: ha rimosso montagne esistenti, ha arginato fiumi (che va a cambiare il letto e le zone circostanti del fiume), ha causato estinzioni (es. il dodo, uccello che popolava le isole Mauritius, che è scomparso all’arrivo degli uomini su quella terra nel XVII secolo), ha modificato altre specie animali (i cani, pur essendo molto diversificati tra loro, derivano dalla stessa specie, canis lupus). L’uomo, quindi, non ha agito solo sugli animali, ma ha anche modificato, consapevolmente o inconsapevolmente, i genomi delle piante per migliaia di anni: le ha addomesticate per fini a lui utili (produrre più cibo, aumentare le resistenze agli insetti, facilitare la raccolta, oppure aumentare delle caratteristiche qualitative). Tuttavia, è adesso che dobbiamo far pronte alla sfida più impegnativa: la popolazione sta crescendo sempre di più, e i livelli di CO2 nell’atmosfera sono sempre maggiori, per cui ci si chiede come si possa riuscire a nutrire così tante persone senza andare a danneggiare ulteriormente il nostro pianeta. Bisogna riuscire a nutrire molte persone avendo a disposizione meno risorse. In questo panorama, si inserisce il miglioramento genetico vegetale, di cui si sta cercando di capire il ruolo da ricoprire nell’affrontare questa sfida. Per farlo, dobbiamo risalire al ruolo che ha avuto nel passato remoto, in un passato più recente, e a questo punto ipotizzare un possibile ruolo futuro. o Passato remoto: Dal momento che l'Homo Sapiens ha avuto origine circa 400.000-250.000 anni fa, le principali colture sono state domesticate da circa da circa 13.000-5000 anni fa: lo sviluppo delle civiltà umane è strettamente correlato con lo sviluppo dell'agricoltura. La rivoluzione neolitica, avvenuta circa 10.000 anni fa, ha segnato il passaggio dell'uomo da cacciatore ad agricoltore. Si pensa che ci sia stato un graduale cambiamento, dal continuo spostamento in cerca di cibo, ad una forma di migrazione stagionale, per arrivare alla nascita di insediamenti permanenti (con conseguente deforestazione di alcune aree). L’uomo si è stanziato in quelle zone dove la terra permetteva di coltivare bene determinate specie: laddove ci sono le civiltà più antiche, ci sono anche più le zone in cui ha avuto origine la domesticazione delle piante. La zona della Mezzaluna fertile, diventò molto importante per il frumento e l’orzo, il Centro America per il mais e la patata. Le modificazioni genetiche che si hanno avuto sulle piante nascono come conseguenza della coltivazione: esiste una variabilità naturale all'interno della specie, e il seme che deriva dalle “piante migliori” è maggiormente rappresentato nelle generazioni successive. È stato possibile seguire l’evoluzione di alcune specie vegetali andando a studiare i ritrovamenti nei siti archeologici: una specie molto studiata è il mais, di cui è stato possibile tracciare l’evoluzione grazie al numero di reperti risalenti a vari anni che sono stati rinvenuti. Da quando è iniziata la sua domesticazione fino a 500 anni fa, la pannocchia di mais si è diversificata moltissimo dal suo progenitore ancestrale, il teosinte, che aveva una pannocchia molto piccola, pochi semi, e che produceva cariossidi con tegumenti esterni duri e persistenti. 1 La selezione dell’uomo ha permesso di esercitare una selezione negativa per quanto riguarda il tegumento molto duro, per mezzo di una mutazione. Sono state ridotte le ramificazioni (è stato selezionato uno sviluppo più verticale) ed è aumentato il peso dei semi: l’energia che prima la pianta utilizzava per far crescere le numerose ramificazioni ora viene orientata alla produzione di una pannocchia con un numero maggiore di semi. Un altro esempio di selezione condotta dall’uomo sulle piante è stato quello di scegliere delle piante che non disseminano (non disperdano il seme): il frumento selvatico dissemina grazie al rachide fragile (e ciò fa sì che acquisisca il vantaggio di massimizzare la dispersione dei semi e di amplificare le possibilità di potersi riprodurre), mentre quello domesticato non dissemina grazie al rachide più resistente (che però fa in modo che, per l’uomo, la raccolta sia facilitata). L’uomo, con il tempo, ha selezionato questa seconda mutazione. Molte delle specie oggi in coltivazione sono frutto di estesi riarrangiamenti genomici. Un esempio è quello della poliploidia: le piante che contengono più di due corredi cromosomici molto spesso sono più grandi, e quindi tendono a essere selezionate da parte dell'uomo. Il frumento tenero (esaploide) è il risultato di ibridazioni inter-specifiche a partire da tre specie ancestrali. Il genere Brassica è un esempio di come tre genomi ancestrali, ricombinati in vari modi, abbiano dato origine a specie diverse. Una delle varietà maggiormente coltivate al mondo, il riso «Indica IR64», è il prodotto di un complesso programma di breeding, di miglioramento genetico, che ha causato sostanziali modificazioni, mutazioni, delezioni e riarrangiamenti genomici. Il cibo che mangiamo proviene da piante già ampiamente modificate dalla loro forma originale. Anche le varietà «tradizionali» sono organismi ampiamente modificati geneticamente. o Passato recente: Il XX secolo è stato ricco di novità e progressi: dalla lampada a gas a Google, dalle navi a vapore alle navicelle spaziali. La popolazione mondiale, in soli cento anni, si è quadruplicata grazie ai progressi fatti in campo industriale, medico e alimentare. Sono stati necessari grandi miglioramenti nelle tecniche di breeding e propagazione delle piante per stare al passo con questa spropositata crescita della popolazione. Mendel e Darwin hanno aperto la strada al breeding “scientifico”, cioè il miglioramento genetico a livello scientifico. Soprattutto nei primi anni del XX secolo si ha l’arrivo degli ibridi (generalmente si parla dell’ibrido di mais, ma il concetto si può estendere ad altre specie). La progenie di due genitori geneticamente differenti mostra spesso una maggiore crescita e produttività. Questo effetto viene definito "vigore ibrido" o "eterosi" (George Shull). Anche se gli agricoltori hanno lo svantaggio di dover acquistare i semi ogni anno da chi li ha prodotti, l’aumento delle rese ha più che compensato l'aumento dei costi. Norman Borlaug fu il padre della “rivoluzione verde”: lui applicò o principi del miglioramento genetico soprattutto al frumento, con lo scopo di aumentare la resa lavorando sia sui genotipi che sulle pratiche agronomiche e l’utilizzo dei fertilizzanti. Uno dei risultati più significativi che ha ottenuto è stato lo sviluppo di varietà di frumento semi-nane ad alto rendimento: si sono riscontrate migliori varietà di frumento, migliori pratiche agricole, e l’utilizzo dei fertilizzanti. L'introduzione di varietà semi-nane e resistenti alle malattie ha permesso la conversione di alcuni Paesi (Messico, India, Pakistan) da importatori a esportatori di grano. Anche il riso ha avuto un miglioramento genetico per quanto riguarda la produttività, optando per varietà migliori che venivano coltivate con giuste pratiche agronomiche e con uso di fertilizzanti. La produttività delle colture ha tenuto il passo con l’aumento della popolazione, grazie all’aumento delle rese. Non sono aumentate tanto le aree coltivate, quanto la produzione delle colture: sono quindi aumentate le rese/ettaro. Produrre più cibo senza utilizzare più terra è necessario per limitare i cambiamenti climatici e la perdita di biodiversità. o Ora: 2 I breeders moderni utilizzano metodi molecolari, tra cui il sequenziamento del DNA e la proteomica, affiancati alla sperimentazione in campo. Attualmente, si può parlare di tecniche molto fini, tra cui: o La Marker assisted selecjon, cioè la selezione assisjta da marcatori molecolari; o Gli studi di genome-wie associajon; o La tecnologia del DNA ricombinante e piante transgeniche MARKER ASSISTED SELECTION (MAS) I marcatori molecolari sono delle sequenze presenti sul DNA rilevabili con delle sonde o con la PCR e, in base alla loro presenza o assenza, sono in grado di caratterizzare in modo univoco un determinato genotipo. Tenendo conto che il fenotipo è espressione fisica di un genotipo, se io posso in qualche modo andare a selezionare il genotipo (anche in modo precoce) non devo aspettare che la pianta si sviluppi per vedere il suo fenotipo, ma posso già in diciamo tempi precoci andare a fare una selezione andando a vedere se c'è o non c'è quella determinata sequenza. Selezionare un marcatore del DNA è più rapido rispetto a selezionare un fenotipo. Utilizzo dei marcatori molecolari: ad ogni generazione di incrocio i geni vengono riassortiti in modo casuale. I marcatori ci permettono di "vedere" quali geni ogni individuo ha ereditato e di selezionare, quindi, un individuo piuttosto che un altro. Esempio: Introgressione di un gene per la resistenza. Si vuole introdurre un gene per la resistenza ad un’avversità in una varietà “élite” di pomodoro. Si incrociano due piante, quella “élite” e quella che ha una pessima produzione ma che possiede il gene per la resistenza. Alcune piante della progenie erediteranno la resistenza alle malattie, altre no. A questo punto, si possono utilizzare i marcatori molecolari (analisi del DNA della progenie) per conoscere il loro genotipo e identificare le piante con il gene di resistenza. È più veloce e più facile che infettare le piante e osservarne il fenotipo. Se una pianta non è una varietà “élite”-resistente, metà dei suoi geni derivano dalla varietà donatrice del gene di resistenza. Occorre incrociare (re-incrociare) ripetutamente per tornare al pomodoro “élite”, utilizzando i marcatori per identificare le piante con il gene di resistenza alle malattie, ad ogni generazione. Questo metodo di incrocio viene definito backross. Ci vogliono diversi anni per ottenere una pianta con l’introgressione del gene per la resistenza, e l’introduzione dei marcatori molecolari permette di velocizzare la selezione e di accelerare i programmi di breeding. Dopo alcune generazioni si ottiene la varietà “élite”, resistente alla malattia. Esempio: utilizzo della MAS per l’ottenimento di riso resistente alla sommersione (Sub1) Molte regioni risicole sono soggette ad alluvioni. In Pakistan, nel 2010, un enorme alluvione sommerse circa 70.000 km2, e distrusse gran parte del raccolto. Il riso sensibile non sopravvive ad inondazioni prolungate, perché ha bisogno di fotosintetizzare. Ma si è visto che, invece, il riso Sub1 è tollerante alla sommersione: arresta la sua crescita durante l’inondazione, ma può sopravvivere fino a 17 giorni. 3 Si è pensato, quindi, di incrociare la varietà Swarna, alto rendimento ma sensibile alle inondazioni, con la varietà Sub1, a più basso rendimento ma che sopravvive alle inondazioni. Dal primo incrocio, si selezionano le piante che contengono il gene di Sub1 e le si vanno ad incrociare nuovamente con altre piante Swarna, selezionando ogni volta solo le piante che contengono il gene di Sub1. Dopo alcune generazioni si ottiene la varietà Swarna resistente, però, alle inondazioni. I progressi nelle tecnologie genomiche facilitano il breeding, anche per tratti complessi. - Sono disponibili daj di sequenza del genoma per più di 100 specie vegetali; - Il breeding molecolare e la mappatura dei geni sono approcci sviluppaj ed ujlizzaj per molte specie; - Studi di Genome-wide associa0on (GWA) servono per ad associare i caraneri ai marcatori ujli per la MAS. I metodi GWA permettono di identificare geni associati a tratti complessi, che molto spesso non hanno, alla base del loro controllo, un unico gene, ma ne hanno di più (come possono essere la produzione o l’efficienza nell’utilizzo dell'acqua). Riuscire a condurre degli studi di GWA consente di andare a vedere quale sia il peso dei diversi geni sulla manifestazione di un determinato carattere e complesso. LA MODIFICAZIONE GENETICA (GM) È un altro metodo di breeding. Negli anni '70, gli scienziati hanno sviluppato dei metodi e strumenti (enzimi di trascrizione, ligasi) che consentivano loro di ricombinare il DNA da fonti diverse. Negli anni '80, questi metodi sono stati estesi per consentire l'inserimento dei geni nel genoma di una pianta. Le piante o altri organismi portatori di un gene introdotto usando i metodi del DNA ricombinante sono spesso indicati come organismi transgenici o organismi geneticamente modificati (OGM). Con la MAS, per riuscire a inserire un carattere di interesse all’interno di un genoma, bisognava effettuare diversi incroci e diversi cicli di selezione. La tecnologia del DNA ricombinante (o GM), d’altra parte, consente di introdurre un singolo gene in un genoma. È un metodo più veloce della selezione convenzionale. Il gene d’interesse, recuperato da un organismo donatore, viene isolato mediante metodi di biologia molecolare e stabilmente inserito nel genoma ospite. Riassumendo: MAS 1. Il trano desiderato deve essere individuato; 2. Le risorse genejche devono essere disponibili; 3. Le piante devono essere incrociabili. i. GM 4. Il gene può derivare da qualsiasi specie; 5. Le risorse genejche non sono richieste; 6. La pianta deve essere propagata vegetajvamente. Il futuro: L’alimentazione umana è decisamente carente per quanto riguarda alcuni minerali e alcune vitamine, che devono essere introdotte attraverso la dieta. L’incremento del contenuto in β-carotene nel cibo può prevenire la carenza di vitamina A che, attualmente, causa numerose malattie, come la cecità, soprattutto a livello infantile. Per incrementare il livello di β-carotene nelle piante occorrono maggiore sintesi, maggiori riserve o minore catabolismo. I cibi arricchiti (piante biofortificate) in β-carotene sono stati ottenuti sia con approcci GM che non-GM. Un’altra sfida è l’ottenimento di piante tolleranti alla siccità: si stima che il 70% dell’acqua a livello globale venga utilizzato nell’agricoltura (produrre cibo per una persona per un giorno richiede 3000 litri d’acqua). 4 Nel 2011 sono state sviluppate varietà di mais che ottimizzano l’uso dell’acqua. Queste varietà sono state ottenute con moderni metodi di breeding molecolare (MAS), senza l’utilizzo della tecnologia del DNA ricombinante. Il plant breeding è in grado di supportare l'agricoltura africana e quella dei paesi in via di sviluppo. Nei prossimi 50 anni, dovremo produrre più cibo di quanto ne è stato prodotto nella storia dell’umanità, e dovrà essere spartito in modo decisamente più equo. Molte persone chiedono una seconda rivoluzione verde, chiedono di sviluppare approcci che riducano al minimo il degrado ambientale, migliorando la salute umana. I progressi della genetica e delle sue nuove tecnologie (che superano i problemi legati alla trasformazione genica) rendono questo possibile. La cisgenesi consiste nel trasferimento, per mezzo dell’ingegneria genetica, di geni che derivano dalla stessa specie o da specie molto vicine, evitando così di andare a superare delle barriere interspecifiche. Vantaggi: o Risparmiare tempo per gli incroci di backcross; Ujle per le piante propagate vegetajvamente, come la patata e la mela. Svantaggi: o Deve esserci un gene di resistenza (o di interesse) nel gene-pool della specie o di specie molto vicine. Utilizzo delle tecniche di editing genomico: ZFNs e TALENs (nucleasi che possono tagliare il filamento in siti specifici) possono essere programmate per tagliare in modo specifico. Il sistema CRISPR/Cas, invece, usa l’RNA per guidare il taglio. Tutte queste tecniche di editing genomico causano delle mutazioni. Innesto su piante transgeniche (transgrafting): un germoglio transgenico può essere innestato su un portainnesto transgenico: in questo modo, il frutto e il polline non contengono il transgene. 5 LEZ. 2 04/10/2023 Prof.ssa Comino SISTEMI RIPRODUTTIVI È fondamentale sapere quanta variabilità sia presente nella popolazione, se ci sia presenza di mutazioni o di poliploidia, tutte caratteristiche che dipendono chiaramente dal tipo di sistema riproduttivo della pianta presa in esame. A seconda della struttura genetica di una specie andremo quindi a scegliere quale sarà il miglioramento genetico più adatto per quello che può essere il nostro fine. Come si può vedere quindi miglioramenti genetici e riproduzione sono argomenti strettamente correlati. Quest’oggi andremo quindi ad iniziare ad affrontare i diversi tipi di sistemi riproduttivi vegetali. SISTEMA RIPRODUTTIVO DEGLI ANGIOSPERMI Nelle angiosperme, anche dette piante superiori, si ha la produzione di un frutto, il cui compito è quello di proteggere il seme. I sistemi riproduttivi delle angiosperme possono essere di tre tipi: § PROPAGAZIONE VEGETATIVA: si trana di una riproduzione asessuata tramite le parj vegetajve; § APOMISSIA: si trana di una riproduzione asessuata con la produzione di semi, a sua volta divisa in embrionia avvenjzia e apomissia gametofijca; § ANFIMISSIA: si trana di una riproduzione sessuata per seme (richiede la fecondazione e quindi i due gamej). APOMISSIA Si tratta di una riproduzione asessuata, ovvero ho la produzione di un embrione senza fecondazione. Ci sono due modalità diverse di formazione di un embrione senza l’unione di due gameti: § il primo caso, chiamato EMBRIONIA AVVENTIZIA o APOMISSIA SPOROFITICA, in cui l’embrione si forma direnamente da una cellula somajca (con corredo cromosomico completo, in caso di una specie diploide 2n); § il secondo caso, chiamato APOMISSIA GAMETOFITICA, in cui l’embrione si forma da un sacco embrionale non ridono (il sacco embrionale è l’organo che dovrebbe dare origine ai gamej); in questo caso non si ha la formazione di embrione da una cellula somajca ma da cellule gametofijche, cioè che 6  sarebbero dovute andare incontro a meiosi e dare vita ai gamej (per qualche mojvo non avviene e si forma l’embrione). Le piante che vanno incontro ad apomissia, non vanno incontro solo a riproduzione apomittica, ma possono andare in contro anche a riproduzione tramite anfimissia, in questo caso si parla di piante apomittiche facoltative, in quanto in grado di produrre sia semi apomittici (generati con riproduzione asessuata) che semi anfimittici (generati tramite riproduzione sessuata, cioè tramite l’unione di due gameti). Una pianta in base alle esigenze può effettuare riproduzioni diverse. Le piante che nascono da semi apomittici, non essendo formati dall’unione di due gameti, sono quindi dei cloni genetici della pianta madre, perché derivano completamente da tessuto materno (c’è quindi solo l’informazione genetica materna), sia questo una cellula somatica o un sacco embrionale non ridotto. Alcuni esempi di piante apomittiche sono: I vantaggi della riproduzione apomittica sono svariati. § Uno di quesj è la possibilità di riprodursi anche in assenza di condizioni favorevoli per la riproduzione sessuata, come ad esempio l’assenza di impollinatori, o gli ambienj estremi in cui è difficile che i due gamej si possano incontrare per dare origine allo zigote (e quindi all’embrione). § Un altro vantaggio è quello di avere un risparmio energejco, non producendo l’ovulo né producendo il polline. Sono però presenti anche degli svantaggi: § si riduce la variabilità genejca della specie, non andando incontro alla meiosi e alla formazione di gamej, e l’assenza di meiosi porta anche all’accumulo di mutazioni che possono essere negajve. 7  § Le piante, essendo tune genejcamente uguali, saranno quindi ben adanate all’ambiente in cui si trovano, ma, se l’ambiente dovesse cambiare per un qualsiasi mojvo, la poca variabilità genejca è un fanore fortemente negajvo. PROPAGAZIONE VEGETATIVA Il secondo tipo di riproduzione asessuata che si può avere nelle angiosperme è la PROPAGAZIONE VEGETATIVA, in questo caso non si ha una produzione di un seme, ma si basa sulla totipotenza delle cellule somatiche delle parti vegetative della pianta (si hanno sempre i cloni). Per totipotenza si intende la capacità di una cellula differenziata di riprodursi e formare linee cellulari diverse da quella in cui si era differenziata. Alcune piante sono in grado di produrre delle parti vegetative, quali rizomi, bulbi, tuberi e stoloni. Da queste parti vegetative si può rigenerare un’intera pianta, perché sono presenti delle gemme. Alcuni esempi di questo tipo di piante sono gli asparagi (rizomi), l’aglio (bulbi), patate (tuberi) e fragole (stoloni). Oltre a questi esempi di riproduzione per propagazione vegetativa, che si tratta di metodi naturali, esistono anche dei metodi di propagazione vegetativa artificiale, usati dall’uomo per produrre piantine e quindi per moltiplicare il materiale vegetale. § Per onenere una talea si mene una parte della pianta che si vuole riprodurre in acqua e anendere che produca radici. § Le margone, ujlizzate ad esempio con gli agrumi, consistono nel creare dei tagli sul fusto della pianta e poi coprirli, creando delle condizioni di umidità favorevole, in questo modo in corrispondenza dei tagli compariranno delle radici, quando saranno presenj si potrà tagliare la parte della pianta con le nuove radici e piantarlo. § Le propaggini non sono altro che rami che vengono parzialmente interraj, in corrispondenza di un piccolo taglio, dove si formeranno delle radici. § Negli innesj invece vengono messi a contano due piante diversi, una chiamata pianta aerea ed una dena radicale, la prima verrà inserita nella seconda, si avrà una fusione delle due piante nel punto dell’innesto e avremo una pianta composta quindi nella parte superiore dalla pianta innestata e nella parte inferiore dalla parte radicale. 8  § Un’altra tecnica di propagazione vegetajva molto importante è la micropropagazione, una tecnica ujlizzata in laboratorio, nella quale, partendo da espianj vegetali (che possono essere organi, tessuj o anche solo cellule), si onengono piante complete, in condizione di sterilità e in condizioni controllate, con l’uso di substraj di composizione nota. Come per l’apomissia, anche in questo caso la propagazione vegetativa può essere facoltativa, nel caso ci sia la possibilità di produrre un seme, o obbligata, se la produzione di seme è assente o si ha una scarsa fioritura. Difficilmente una pianta si riproduce solo per via vegetativa, perché chiaramente se non funziona qualcosa la pianta continua con la sua vita, ma una volta che è morta non ha una discendenza. ANFIMISSIA L’anfimissia è l’unico tipo di riproduzione sessuata per le angiosperme. Il seme è il risultato di una fecondazione, unione di due gameti prodotti grazie ad un processo di meiosi. Si ha quindi una meiosi ed una successiva gametogenesi. Questi gameti avranno un corredo cromosomico dimezzato. Con l’impollinazione, tramite la quale si ha l’unione del gamete femminile con quello maschile, si ha quindi la fecondazione, che porta alla formazione dello zigote, e l’ovario andrà a trasformarsi in quello che sarà il frutto, che conterrà al suo interno il seme, che sarà trasformazione dell’ovulo fecondato. Bisogna ricordarsi e tener presente che il ciclo biologico per le piante include due generazioni diverse morfologicamente e cariologicamente, che si susseguono in modo alternato: § una generazione aploide, molto ridona, che è rappresentata dal GAMETOFITO, il quale, a sviluppo completo, porta alla produzione dei gamej à dura solo nel periodo della fecondazione; § una generazione diploide, più lunga e appariscente, che è rappresentata dallo SPOROFITO, il quale, a maturità, porta alla produzione delle spore tramite meiosi (lo sporofito, oltre agli organi riproduuvi - i fiori -, è cosjtuito da radici, fusto e foglie) à quella che vediamo noi nelle piante superiori. Quindi le piante che noi vediamo, per quanto riguarda le angiosperme, siano esse erbacee o arboree, sono gli sporofiti, il quale produrrà un gametofito, che durerà per un tempo limitato nel tempo e sarà difficilmente visibile per la sua dimensione, che produrrà i gameti. Quando due gameti si andranno ad unire si avrà la formazione di un nuovo sporofito e si ripeterà il ciclo. L’alternanza tra le due generazioni è segnata da due eventi specifici, che sono comuni a tutti gli esseri viventi che si riproducono per via sessuale: la meiosi e la fecondazione. L’alternanza di queste due generazioni ha come effetto positivo di creare VARIABILITÀ GENETICA. La variabilità genetica si origina essenzialmente con i processi di: ricombinazione: scambio di materiale genejco tra cromosomi omologhi ed omeologhi. segregazione: separazione delle forme alleliche alternajve di un gene in un individuo eterozigote; la segregazione porta alla inclusione casuale nei gamej di uno dei 4 cromajdi presenj all’inizio della meiosi. fecondazione: unione sessuale del gamete maschile con quello femminile determinando la formazione di uno zigote funzionale. 9 Nella ricombinazione avviene il processo del CROSSING-OVER, che avviene durante la profase I, e consiste nello scambio tra materiale genetico di due cromatidi non fratelli, cioè facenti parte di due cromosomi omologhi diversi. Gli eventi di crossing-over possono essere più di uno per ogni coppia di cromatidi non fratelli e possono avvenire in ogni punto del cromosoma, si hanno quindi tantissime possibilità di variazioni. Dopo il crossing-over, i cromatidi fratelli non saranno più identici. Il secondo processo è la segregazione. Durante la prima divisione meiotica abbiamo la separazione dei cromosomi omologhi, però a seconda di come si vanno a posizionare i cromosomi omologhi prima della separazione, sulla linea, ci possono essere diverse combinazioni. Il tipo di segregazione, quindi come si separano i cromosomi omologhi durante la prima divisione, dà origine a quello che viene detto ASSORTIMENTO INDIPENDENTE, che avviene grazie alla successione di meiosi I e meiosi II: § in Anafase I i cromosomi omologhi vengono separaj; § in Anafase II i cromajdi fratelli vengono separaj. L’unione di crossing-over e di assortimento indipendente porta ad avere 4 cellule aploidi con corredo genetico altamente diversificato. Il terzo evento che porta variabilità genetica è la FECONDAZIONE, ovvero l’unione del gamete maschile con quello femminile che porta alla formazione di un embrione funzionale. Nelle angiosperme, gli organi riproduttivi si trovano all’interno del fiore. Il fiore è formato dal ricettacolo, dal calice (formato dai sepali), dalla corolla (formata dai petali), dall’organo sessuale maschile chiamato androceo (formato dagli stami) e dall’organo sessuale femminile chiamato gineceo (formato dal pistillo). Questo è un esempio di fiore ermafrodita, ovvero che contiene sia l’organo maschile che quello femminile. L’organo maschile, o androceo, è formato da più STAMI, formati da una parte sottile, detta filamento, e una parte ingrossata, detta antera, formata da 4 sacche polliniche. Lo stame ha la funzione di generare i gametofiti maschili (granuli di polline). L’organo femminile, gineceo o PISTILLO, è formato dalle foglie carpellari (carpelli), dove vengono prodotti gli ovuli o primordi seminali che conterranno i gameti femminili. Può essere formato da un singolo carpello o da più carpelli, in alcuni casi liberi, in altri fusi tra loro. Nel pistillo si possono riconoscere tre zone distinte: l’OVARIO, la cavità che racchiude gli ovuli; lo STILO, una parte sterile più o meno lunga, dove verranno depositati i granuli di polline, che saranno trattenuti lì dalle secrezioni stigmatiche; lo STIGMA, la cavità superiore allo stilo. L’ovario può assumere forme diverse: 10 11 LEZ. 3 10/10/2023 Prof.ssa Comino SISTEMI RIPRODUTTIVI - SECONDA PARTE Sia nell’apparato riproduttivo maschile che in quello femminile abbiamo dei processi sporogenetici e susseguentemente gametogenetici. La sporogenesi per quanto riguarda l’apparato femminile prende il nome di MEGASPOROGENESI, o MACROSPOROGENESI, per l’apparato maschile di MICROSPOROGENESI. La RIPRODUZIONE SESSUATA (anfimissia) si origina essenzialmente con i processi di: a) sporogenesi: processo che nelle piante superiori porta alla formazione delle spore femminili (megasporogenesi) o maschili (microsporogenesi) b) gametogenesi: processo che porta alla formazione dei gamej c) fecondazione: unione sessuale del gamete maschile con quello femminile determinando la formazione di uno zigote funzionale. In genere entrambi i gamej sono aploidi ed il nucleo risultante dalla loro fusione è diploide. Quindi la sporogenesi e la gametogenesi permettono di creare i gameti all’interno di androceo e gineceo, poi questi gameti potranno andare incontro alla fecondazione. Sporogenesi e gametogenesi sono comuni sia per quanto riguarda la formazione del gamete femminile, sia per quanto riguarda la formazione del gamete maschile. Nel fiore l’antera che abbiamo detto è l’androceo, contiene le sacche polliniche che dovranno poi dare origine ai gameti maschili. Poi c’è il pistillo che contiene l’ovario, in cui c’è l’ovulo, che invece dovrà poi dare origine al gamete femminile. Qua c’è un passaggio di sporogenesi, indicato in rosa, che c’è sia per la formazione dei gameti maschili, sia per la formazione dei gameti femminili e poi c’è un passaggio ancora di gametogenesi, in cui vedete si finalizza la formazione dei gameti maschile e femminile, che poi si dovranno unire per dare origine alla fecondazione. a) Sporogenesi Nella sporogenesi avviene la meiosi, che è la divisione cellulare che caranerizza questo processo e si verifica proprio quando un organismo a propagazione sessuale deve produrre dei gamej, quindi da un tessuto diploide, ci sono delle cellule deputate alla formazione dei gamej, che vanno incontro alla meiosi. Nei vegetali, la meiosi, avviene in tessuj prevenjvamente differenziaj che sono deputaj alla formazione dei gamej che sono contenuj all’interno dell’androceo e nel gineceo e prendono rispeuvamente il nome di “microsporocij” o “cellule madri delle microspore” e di “megasporocij”, o “cellule madri delle megaspore”. 12  Cosa succede durante la sporogenesi maschile? Le cellule madre della microspora (2n), che sono contenute nelle sacche polliniche, vanno incontro a meiosi e formano 4 microspore (Meiosi: da 1 cellula se ne formano 4 ridotte, quindi 4 cellule aploidi). Ognuno di queste 4 microspore, darà poi origine ad un granello pollinico, quindi tutte e 4 le cellule che vengono create, sono tutte vitali. Dopo la sporogenesi, in questo caso dopo la microsporogenesi, perché siamo nel gamete maschile, c’è il passaggio invece di gametogenesi. Ognuna di queste 4 subisce 2 mitosi; quindi si formano delle cellule binucleate. C’è stata la mitosi, quindi si sono formati 2 nuclei, ma non sempre si ha quella separazione completa delle cellule. La prima mitosi però, chiaramente, porta all’origine di queste due cellule, una che viene detta generativa e l’altra, quella che viene detta cellula vegetativa, ovvero quella che permette appunto alla cellula di sopravvivere. Chiaramente queste mitosi sono tutte e 2 aploidi, non c’è altra possibilità di divisione in mitosi. Avviene la prima divisione mitotica, si forma il granulo pollinico, che normalmente quindi è binucleato, uno che è la cellula generativa, l’altro, il granulo, che è la cellula vegetativa, e poi avviene una seconda mitosi. La prima mitosi avviene quasi subito dopo la meiosi, mentre la seconda mitosi può avvenire anche in tempi molto differenti a seconda delle piante e avviene per quanto riguarda la cellula generativa, per cui si formano due nuclei generativi. Quindi, prima mitosi, si forma un nucleo vegetativo ed un nucleo generativo, seconda mitosi, che interessa solo la cellula generativa, fa sì che si formino poi due nuclei generativi. Quindi, finale di tutto, il gametofita maschile, ha 3 nuclei diciamo, un nucleo vegetativo e 2 nuclei generativi. Nel processo di megasporogenesi dalla cellula madre della megaspora, che è diploide, per meiosi si formano 4 cellule aploidi, che sono le megaspore. Di queste 4 cellule per, soltanto una va incontro a gametogenesi, mentre le altre 3 degenerano. Abbiamo visto che nella gametogenesi maschile, ci sono poi 2 divisioni mitotiche, mentre per quanto riguarda la gametogenesi femminile, ci sono sull’unica megaspora funzionale, 3 eventi di mitosi. Quindi, da un nucleo se ne formano 2, da 2 nuclei se ne formano 4, da 4 nuclei se ne formano 8. Il risultato finale, è che il gametofita femminile, una volta completate le 3 mitosi, contiene 8 nuclei aploidi (non sono 8 cellule completamente separate). b) Gametogenesi Questo (a destra) è un ingrandimento del sacco embrionale del gametofita femminile, in cui sono avvenute già e 3 mitosi. Noi abbiamo 3 nuclei che si vanno a posizionare dalla parte opposta rispeno all’apertura; quindi, dov’è quello che viene chiamato il micropilo, che è l’apertura dove può arrivare il granulo pollinico, quindi dalla parte opposta ci sono le 3 cellule anjpodali. Poi ci sono 2 cellule centrali, che vengono chiamaj nuclei polari (i quali, vedremo, hanno una funzione molto importante). A livello del micropilo invece, ci sono altri 3 nuclei, di cui il primo, centrale, è la vera cellula uovo, è l’oosfera e 13  poi, quelle vicine, sono quelle che vengono chiamate cellule sinergidi, che normalmente sono di sostegno appunto alla cellula uovo, sostegno energejco proprio. c) Fecondazione A questo punto, abbiamo il gamete maschile, che è questo granulo pollinico con 3 nuclei, uno vegetajvo e due generajvi, abbiamo la cellula uovo, che è formata da 8 nuclei aploidi ben posizionaj e a questo punto può avvenire la fecondazione, perché sono presenj i gamej. Nelle piante superiori, si parla spesso di doppia fecondazione e questo è dovuto al fano che quando il polline arriva sullo sjgma, che è questa apertura del pisjllo, dal granulo pollinico si forma quello che viene definito il tubeno pollinico, quindi si forma una protuberanza che scende lungo lo sjlo e fa raggiungere i nuclei all’interno del sacco embrionale, fino ad arrivare al micropilo. Al micropilo cosa succede? Succede che un nucleo spermajco va a fecondare la cellula uovo: prima fecondazione. Quindi un nucleo generajvo dei 2 andrà a fecondare la cellula uovo e si formerà lo zigote e da lì si formerà poi l’embrione. L’altro nucleo spermajco generajvo che avevamo visto esserci nel granulo pollinico, va a fecondare i 2 nuclei polari che avevamo visto al centro del sacco embrionale. Si uniscono le 2 cellule polari, più il nucleo generajvo maschile e danno origine a quello che viene definito l’endosperma, che è un tessuto triploide (3n; tessuto di riserva all’interno del seme) perché rappresenta l’unione delle due cellule polari più ancora il nucleo generajvo, di quel gamete maschile. È un tessuto che permene all’embrione di svilupparsi all’interno del seme. Quindi questo è il motivo per cui si parla di doppia fecondazione, perché la prima fecondazione, avviene fra la cellula uovo ed uno dei 2 nuclei generativi del granulo pollinico l’altra fecondazione, invece, avviene attraverso l’unione delle due cellule polari femminili con il nucleo generativo maschile, formando questo tessuto 3n, l’endosperma, che è un tessuto di riserva del seme. Il nucleo vegetativo rimane all’interno del granulo pollinico perché è quello che gli permette di vivere e il nucleo del granulo pollinico, rimane lì. Gli altri due invece si fondono. 14 In questo caso si vede (da sopra) : il polline arriva sullo stigma, si forma questo tubetto pollinico e qui ci sono già i due nuclei spermatici, quello vegetativo neanche ce lo fa vedere, non interessa la fecondazione, i due nuclei spermatici che scendono lungo lo stilo, raggiungono il micropilo, dove c’è la cellula uovo e uno dei due nuclei generativi spermatici vanno a fecondare la cellula uovo, l’altro invece va a fecondare le due cellule polari, che sono quelle centrali nel sacco embrionale e si va a formare l’endosperma, questo tessuto che è 3n. Una volta avvenuta la fecondazione, si creano dei segnali per cui, avvenuta la fecondazione, succede che l’ovulo a questo punto, mette in atto tutti dei meccanismi per trasformarsi in seme, perché è avvenuta la fecondazione, quindi ci sono dei segnali molecolari molto precisi e chiaramente l’ovario si va poi invece a trasformare nel frutto. Quindi vedete qua due nuclei spermatici del granulo pollinico. Uno di questi va a fecondare la cellula uovo, l’altro va invece a fecondare le 2 cellule polari, da questo si andrà a dare poi origine all’endosperma, questo tessuto 3n contenuto nel seme, invece lo zigote darà poi origine all’embrione. Quindi lo zigote diploide perché deriva dall’unione di 2 gameti e l’embrione anche diploide. Questa è un’immagine solo per farvi vedere: il tubetto pollinico cade sullo stigma, in quel momento ci sono una serie di segnali tra sigma e polline, nel senso che non sempre si può originare questo tubetto pollinico, perché ci possono anche essere dei segnali di incompatibilità che vedremo, questo è un processo che esiste proprio nei vegetali. Quindi normalmente, se c’è compatibilità, allora c’è la formazione di questo tubetto pollinico, però c’è comunicazione tra polline e stigma, c’è produzione di questo tubetto pollinico, scendono questi due nuclei spermatici o si forma il secondo nucleo spermatico, a seconda del momento in cui avviene la seconda mitosi e poi avviene la fecondazione. Chiaramente, una volta che c’è stata la doppia fecondazione, si forma zigote, endosperma, questo dà origine ad un vero e proprio seme ed il seme, quando viene messo nella terra, dà origine ad una nuova pianta e questa pianta ci permette di andare a vedere la fase sporofitica, quindi quella molto evidente 2n. IMPOLLINAZIONE Le piante si possono propagare in tre modi: Apomissia e propagazione vegetajva: riproduzione per via asessuata; Anfimissia: riproduzione per via sessuata composta da sporogenesi, gametogenesi e fecondazione. L’embrione è l’unione di due gamej che danno origine ad uno zigote che poi si svilupperà. Affinché avvenga la riproduzione sessuata deve esserci l’incontro e la fusione dei due gameti femminile (cellula uovo contenuta nel sacco embrionale) e maschile (granulo pollinico che contiene tre nuclei: uno vegetativo e due germinativi che permettono la doppia fecondazione nelle piante superiori). L’impollinazione può avvenire in due modi: 15  § Se i gamej femminile e maschile provengono dalla stessa pianta si parla di autoimpollinazione, autofecondazione o autogamia. Il polline e la cellula uovo appartengono entrambi alla pianta A. § Se i gamej maschili e femminili provengono da due piante disjnte ma appartenenj alla stessa specie si parla di impollinazione incrociata o allogamia o allofecondazione. In una pianta, normalmente, non esiste il 100% di autogamia o di allogamia; queste due situazioni non si escludono a vicenda e si parla di specie prevalentemente autogame in cui prevale l’autofecondazione o allogame in cui prevale allofecondazione. Autoimpollinazione: Si ha quando, all’interno dello stesso fiore o di fiori diversi ma sulla stessa pianta, il polline esce dalle antere e cade sullo stigma che riceve quindi il gamete maschile, il quale può entrare all’interno del pistillo. Alloimpollinazione: Si ha quando il polline di un fiore viene trasportato sul fiore di un’altra pianta che presenta un corredo genomico differente. Questo avviene ad esempio grazie agli insetti, al vento o all’acqua. STRUTTURE FIORALI La situazione in cui si ha la separazione dei sessi su individui differenti è la situazione meno frequente nelle piante mentre è la più frequente negli animali. Piante dioiche: esistono delle piante femminili, ovvero in cui tutti i fiori della pianta presentano solo l’apparato femminile e delle piante maschili in cui tutti i fiori presentano solo l’apparato riproduttivo maschile. Piante monoiche: presentano entrambi i sessi sulla stessa pianta. Gli apparati riproduttivi posso essere su fiori diversi della stessa pianta e vengono chiamati fiori unisessuati o diclini (i fiori maschili e femminili sono separati), oppure possono essere prodotti dallo stesso fiore che viene chiamato fiore ermafrodita o monocline. La presenza del dioicismo o del monoicismo va ad influire sulla presenza dell’autofecondazione o dell’allofecondazione. Esempi di piante dioiche: Acjnidia; Asparago; Canapa; 16  Luppolo; Salice. DIOICISMO Sessi separati (5% angiosperme) In realtà, non esiste il 100% di piante con fiori maschili o femminili ma ci possono essere individui sub-dioici che presentano prevalentemente fiori maschili o femminili e poi alcuni fiori ermafroditi. Le specie sub-dioiche, a loro volta si dividono in: § Sub-androiche: presentano prevalentemente fiori maschili con qualche fiore ermafrodita; § Sub-ginoiche: presentano prevalentemente fiori femminili con qualche fiore ermafrodita; Es. Fiori dell’actinidia Il fiore a sinistra è maschile perché ci sono molti stami, quello bianco a destra è femminile perché presenta il pistillo. Es. Salice (a destra) Ci sono fiori completamente diversi a seconda che siano piante femminili o maschili. Negli animali la determinazione del sesso è di tipo cromosomico, esistono dei cromosomi sessuali eteromorfi. Nelle piante, invece, nelle specie dioiche, esistono pochi casi in cui è stato evidenziato l’eteromorfismo cromosomico. Esempi di piante dioiche caratterizzate da eteromorfismo cromosomico: Normalmente, l’eteromorfismo cromosomico si presenta negli individui maschili. I cromosomi sessuali hanno dimensioni maggiori degli autosomi e il cromosoma Y è più grande del cromosoma X. Fanno eccezione alcune specie di Fragaria (e. fragola) in cui è eteromorfo il sesso femminile. Un altro esempio di pianta dioica caratterizzata da eteromorfismo cromosomico è la canapa. Anche qua l’eteromorfismo cromosomico è caratteristico degli individui maschili perché quelli femminili sono rappresentati dallo stesso cromosoma (XX). L’asparago si propaga in modo vegetativo à i turioni (la parte commestibile e commerciabile dell’asparago) che vengono presi da una pianta maschile daranno origine ad una pianta maschile, mentre, quelli che vengono presi da una femminile daranno origine ad una pianta femminile. I turioni commerciali dell’asparago sono prodotti sia dalla pianta maschile che da quella femminile. Però, quella maschile produce una quantità maggiore di turioni (produzione quantitativa), mentre quelle femminili producono una qualità migliore (produzione qualitativa). Nell’asparago, il sesso è determinato da un solo gene, e l’allele per il sesso maschile è dominante (Mm). È anche possibile che nell’asparago, essendo una specie sub-androica, si possano avere anche delle piante ermafrodite. 17 Situazione dioica normale: In questa situazione, la pianta femminile, essendo omozigote recessiva, produce solamente gameti m, mentre la pianta maschile produce sia gameti m che M. Come progenie, avrò quindi 50% di individui femminili (qualità maggiore ma minore quantità) e 50 % di individui maschili (maggiore quantità ma qualità minore). Situazione sub-androica (ho una pianta maschile con fiori anche ermafroditi): È possibile che in questa pianta avvenga l’autofecondazione. Entrambi i parentali possono produrre gameti m e M che, una volta incrociati, daranno origine a 25% di progenie solo piante femminili, 50% di progenie maschile in una situazione di eterozigosi e 25% di progenie maschile in una situazione di omozigosi. Queste importantissime perché andandole ad incrociare con delle piante femminili ottengo il 100% di progenie maschile. Invece se incrocio un individuo maschile eterozigote con uno femminile ottengo il 50% di individui maschili e il 50% di individui femminili. L’incrocio sopra riportato è l’unico che mi permette di ottenere al 100% individui maschili. Quindi, se ho delle piante maschili omozigoti, queste vengono moltiplicate per via vegetativa e coltivate in isolamento con piante femminili in modo che ci sia allofecondazione e che la progenie sia esclusivamente costituita da piante maschili. Questo consente di avere maggiore produzione. MONOICISMO Sono le piante che presentano entrambi i sessi sulla stessa pianta. I sessi possono essere presenti nello stesso fiore (fiori ermafroditi o monoclini) oppure sono su fiori separati (fiori diclini). Esempi di piante monoiche con fiori diclini: § Nel mais il pennacchio in cima rappresenta il fiore maschile, mentre, il fiore femminile si trova più riparato dove si svilupperà la pannocchia. Nella seconda immagine, il fiore a sinistra è quello femminile, mentre quello a destra è quello maschile. § Un altro esempio è la betulla. Sulla stessa pianta ci sono i fiori femminili che presentano il pisjllo e producono i gamej femminili e i fiori maschili che presentano gli stami e sono in grado di produrre i gamej maschili. Esempi piante monoiche con fiori ermafroditi: Un esempio sono i fiori di pesco che contengono sia il pistillo che gli stami al loro interno e sono in grado di produrre sia gameti femminili che maschili. 18 ALLOFECONDAZIONE E AUTOFECONDAZIONE Il dioicismo favorisce l’allofecondazione perché avviene tra piante diverse e le piante dioiche presentano o solo fiori maschili o solo femminili. Il monoicismo favorisce l’allofecondazione o l’autofecondazione a seconda della struttura fiorale. Nel caso di fiore ermafrodita: se il fiore presenta gli stami molto lunghi ma il pisjllo corto oppure stami e pisjllo quasi della stessa lunghezza, il polline può cadere sul pisjllo e avviene l’autofecondazione; se il fiore presenta il pisjllo che è più lungo degli stami, viene favorita l’allofecondazione; La salicaria è una pianta che può presentare queste tre situazioni. La presenza di piante che svolgono l’impollinazione anemofila (vengono aiutate dal vento o dagli insetti) può favorire l’allofecondazione o l’autofecondazione. Se c’è un fiore con gli stami più corti del pistillo, il vento o gli insetti possono portare più facilmente via il polline. Negli altri due casi, invece è più facile che il vento faccia cadere il polline sul pistillo. Nel caso di fiore ermafrodita ma in generale di piante monoiche, il tipo di impollinazione dipende anche dalla dicogamia, ovvero dalla maturazione sfasata degli organi sessuali. Più precisamente si divide in: Proteroginia se maturano prima gli organi sessuali femminili e poi quelli maschili. Nell’immagine a sinistra si vede che gli sjgmi sono già receuvi mentre gli stami non sono ancora maturi. Quando, invece, le antere rilasciano il polline, ormai lo sjgma non è più receuvo (immagine a destra); Proterandria se maturano prima gli organi sessuali maschili e poi quelli femminili. Nell’immagine si vede che quando le antere disperdono già il polline gli sjgmi sono ancora chiusi (fiore sopra). Mentre, quanto il pisjllo si apre e gli sjgmi sono receuvi, le antere ormai hanno già rilasciato il polline (fiore sono); I fenomeni come la proteroginia o la proterandria portano ad allofecondazione perché la pianta produce fiori che difficilmente andranno ad impollinare fiori della stessa pianta. Più facilmente questi fiori potranno impollinare fiori di altre piante che presentano già gli stigmi recettivi. Un altro caso riguarda la cleistogamia, ovvero la fecondazione a fiore chiuso. 19 Quindi, quando il fiore è ancora chiuso sono maturi sia il pisjllo che gli stami. Viene così rilasciato il polline su uno sjgma che è receuvo. Questo fa sì che venga favorita l’autofecondazione perché il polline, essendo il fiore chiuso, non può andare su altri fiori. 20