Tecnologia che usa e manipola gli organismi viven2 (anche a livello gene2co) per o5enere sostanze o5enute e prodo9 u2li

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1 Tecnologia che usa e manipola gli organismi viven2 (anche a livello gene2co) per o5enere sostanze o5enute e prodo9 u2li

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4 Applicazioni delle biotecnologie Tutela della salute (produzione di farmaci vaccini, monitoraggio ambientale e qualità di alimen2 Produzione alimentare Smal2mento di rifiu2 (bioremedia2on)

5 Le piante come biofabbriche

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8 Coltura in vitro La coltura in vitro è una tecnica che consiste nel col2vare - in condizioni ambientali controllate, - su substra2 ar2ficiali, - in ambiente asfi9co, Porzioni di tessuto differenziato o indifferenziato E o5enere Germogli, Radici Embrioni soma2ci Callo Sospensioni cellulari Protoplas2 Che hanno cara5eris2che par2colari e diverse Per capire la capacità vegetale di trasformare par4 di pianta occorre sapere come le cellule vegetali si differenziano

9 Elemento chiave che perme5e di trasformare la pianta è la capacità unica delle cellule vegetali di crescere, dividersi e rigenerare l intera pianta TOTIPOTENZA: la possibilità di rigenerare un intera pianta da singole cellule differenziate purchè queste cellule siano in grado di andare incontro ad un processo di de- differenziamento La coltura in vitro sfru5a questa capacità delle cellule vegetali

10 Crescita e Differenziamento cellulare Il des2no delle cellule è una combinazione di modelli coordina2 di: Divisione Crescita Determinazione (indirizzamento) Differenziamento Morte programmata

11 Determinazione È regolata dall a9vazione genica differenziale È regolata dalla trascrizione di geni codifican2 fa5ori di trascrizione nel differenziamento Le cellule acquisiscono cara5eris2che morfologiche stru5urali funzionali Influenzate anche da fa5ori esterni quali luce Temperatura, gravità,nutrien2.

12 Cellule staminali Sono cellule progenitrici di cellule differenziate, Sono capaci di autoreplicarsi Di generare cellule figlie che vanno incontro a differenziamento Le cellule staminali sono riunite in nicchie staminali, dove si trovano insieme a cellule differenziate Ambiente influenza le cellule staminali vegetali Per la formazione è importante la manipolazione della coltura in vitro Nei vegetali adul2 le cell staminali possono riprodurre unorgano completo, Mentre quelle animali rigenerano un unico tessuto

13 Diversi 2pi di cellule staminali To2poten2 = si differenziano in tu9 i 2pi di cellule Formano un organismo completo (zigote) Pluripoten2= mol2 2pi di cellule (cell. Epidermiche, emopoie2che) cell di apici vegeta2vi e radici, meristemi secondari (cambio fellodermico, cribrovascolare) Mul2poten2= differenziano in un numero limitato Unipoten2= differenziano in un unico 2po di cellule(stomi, peli radicali) Le vere cellule staminali vegetali sono gli apici

14 Sviluppo post- embrionale Apice vegeta4vo SAM Proliferazione di callo Embriogenesi indire5a Apice radicale RAM Embriogenesi dire5a Cellule soma2che di differen2 organi possono essere indo5e da vari segnali a formare embrioni soma2ci, come tra5amen2 di stress o da espressione ectopica di alcuni geni che codificano per fa5ori di trascrizione. Le cellule embriogeniche sono quindi to2poten2

15 SAM In arabidopsis è formato da circa 100 cellule Al centro c è OC, organizzatore di nicchia, posto so5o le cellule staminali Gene wuschel WUS è espresso in OC Codifica fa5ore di trascrizione imp per mantenere lo stato staminale WUS è represso da segnali nega2vi che si orginano da cellule staminali che esprimono CLV3 (espresso in tunica) CLV3 agisce con CLV1 e CLV2 CLV1 e CLV2 si esprimono in L3 (corpus)

16 SAM I geni CLV1.2.3 limitano la proliferazione Delle cellule staminali WUS agisce sui geni regolatori del ciclo a feed back nega2vo di segnalazione delle citochinine E inibendola loro espressione favorisce il corre5o funzionamneto del meristema

17 RAM Cellule di QC sono regolate individualmente da segnali che prorvengono da QC QC quiescent centre Nel QC ci sono le cellule staminali File longitudinali di cellule che formano - Corteccia - Endodermide - Cuffia - Cellule del tessuto vascolare

18 Informazione è data da du fa5ori di trascrizione SCARECROW/SHORTROOT SCR and SHR They encode GRAS- type transcrip2on factors long known to be required for the asymmetric division of the ground 2ssue stem cell and for endodermis specifica2on. SHORTROOT and SCARECROW protein reside in the nuclei of a single cell layer surrounding the stele. SHR is transcribed in the stele and the protein moves outward, whereas SCR is expressed in the same layer where the protein is found

19 Figure 6. Models for SHR Func4on in Root Development SCR e SHR agiscono sui geni PIN, che a loro volta guidano espressione geni PLT di zona di divisione Le proteine PLT mantengono a9v al trascrizione di PIN E stabilizzano così la posizione di QC Levesque MP, Vernoux T, Busch W, Cui H, et al. (2006) Whole- Genome Analysis of the SHORT- ROOT Developmental Pathway in Arabidopsis. PLoS Biol 4(5): e143. doi: /journal.pbio h5p://

20 RAM

21 Fasi della divisione cellulare, della distensione e del differenziamento During growth, meristema2c cells pass through the following 3 phases: i) Cell forma2on phase or Forma2ve phase ii) Cell enlargement phase or Phase of elonga2on iii) Cell differen2a2on phase or Phase of matura2on.

22 Crescita per divisione e distensione Fragmoplasto: stru5ura citoscheletrica che perme5e la costruzione della nuova parete

23 differenziamento Prevede diverse fasi: Determinazione Crescita per distensione (espansione vacuolo) Acquisizione di tu5e le cara5eris2che specifiche Differenziamento dovuto a programmi specifici di espressione genica Importante è 1- il ruolo della parete 2- Polarità cellulare (determinata da alcuni organelli e statoli2 di radice) 3- Divisione ineguale di alcune cellule

24 Cellule meristema2che e adulte

25 Dall Apice meristema2co Si originano 1 - Cellula del protoderma 2- Cellula del meristema 3- Cellula del procambio Dal protoderma si originano cellule differenziate (tricomi, cellule di guardia) Dal procambio: si originano i vasi condu5ori

26 Dalla Cellula del meristema si originano

27 to2potenza Una cellula specializzata mostra la sua to4potenza a-raverso un processo di de- differenziazione, con il quale la stessa cellula assume carareris4che diverse: - può acquisire auvità meristema4ca diventando un primordio di germoglio o di radice avven4zia, oppure un embrione soma4co, differenziando i due poli meristema4ci (caulinare e radicale). - oppure può produrre un tessuto Indifferenziato di ;po parenchimatoso che si forma in seguito ad accrescimento e proliferazione di cellule presen4 sulla superficie di una ferita di un organo, con lo scopo di cicatrizzarla. Per es., le talee di piante legnose prima di formare le radici sviluppano un callo più o meno vistoso (cercine o callo di cicatrizzazione). Alla formazione del callo possono concorrere vari tessu4; così, nelle talee, il cambio, il parenchima del midollo e della corteccia. Callo è anche il complesso dei tessu4 di concrescimento che si formano tra nesto e soggero negli innes4. Nella maggior parte delle biotecnologie vegetali, la formazione di callo competente (cioè provvisto della capacità di rigenerare organi o embrioni) rappresenta il processo fondamentale arraverso il quale può manifestarsi la to;potenza delle cellule vegetali.

28 CAMPI DI APPLICAZIONE DELLE COLTURE IN VITRO - Coltura di meristemi apicali e ascellari (micropropagazione) - Ricerche sull affinità di innesto (microinnesto) - Risanamento dalle virosi - Rigenerazione di organi avven2zi (germogli e radici) - Embriogenesi soma2ca - Formazione di aploidi - Coltura di protoplas2 - Ingegneria gene2ca - Coltura di embrioni zigo2ci e di ovari - Coltura di tessu2 e di cellule (colture cellulari) - Ampliamento della biodiversità Alcune delle suddere applicazioni permerono di conservare il patrimonio gene4co del geno4po originario mentre altre determinano variabilità gene4ca.

29 Variabilità gene4ca si verifica in tuu i casi in cui si ha rigenerazione avven4zia di organi e embrioni Rigenerazione direra (direramente da cellule del tessuto posto in coltura): minore variabilità gene4ca Rigenerazione indirera (passaggio intermedio da callo): maggiore probabilità di variabilità gene4ca Callo Organogenesi (germogli, radici) Espianto Sospensione cellulare Embriogenesi soma4ca Protoplas4

30 La coltura in vitro è largamente impiegata per la propagazione delle piante. I metodi applicabili si differenziano in funzione della qualità gene4ca delle nuove piante da produrre. Coltura di apici meristema4ci (apicali e ascellari) (micropropagazione) uniformità gene;ca delle piante prodo-e Coltura di germogli avven4zi (da tessuto differenziato o indifferenziato) Organogenesi (da tessuto indifferenziato callo) Embriogenesi (da tessuto indifferenziato callo) Variabilità gene4ca più o meno accentuata

31 MICROPROPAGAZIONE Cenni storici e situazione aruale in Italia. Importanza commerciale: produzione di specie ornamentali, forestali, arboree, medicinali, officinali Vantaggi: - propagazione di geno4pi recalcitran4 - propagazione di cloni specifici - propagazione di specie a lenta mol4plicazione (es. orchidee, rizomatose, felci, palme, ecc.) - non dipendenza dalle condizioni ambientali - produzione di piante virus esen4 partendo da apici molto piccoli - diffusione di nuove cul4var molto richieste dal mercato - propagazione di specie e cul4var ad elevato valore di mercato - conservazione del germoplasma (crioconservazione, espian4 incapsula4) - produzione di elevata quan4tà di piante in spazi e tempi ridou - facilità di programmare la produzione - piante esen4 da patogeni - piccole dimensioni delle piante che facilitano il trasporto

32 Prelievo apice Colture in moltiplicazione Germogli radicati Moltiplicazione dei germogli Allungamento dei germogli Germogli pronti per la radicazione Piantine in acclimatazione Piantine acclimatate

33 Fasi della micropropagazione. Impianto in vitro - scelta del 4po di espianto (true- to- type), stato di vegeta4vità - sterilizzazione dell espianto - scelta del substrato di coltura - stabilizzazione della coltura Mol4plicazione dei germogli Allungamento dei germogli Radicazione dei germogli Acclimatazione delle pian4ne

34 FINE PRIMA LEZIONE