Sexuality deviation in plants, a multilevel approach to study apomixis

Il ciclo vitale nelle piante è determinato dall’alternanza della generazione sporofitica e gametofitica, quest’ultima costituita dal granulo pollinico e dal sacco embrionale. La sessualità nelle piante, riassumibile con la generazione dei gameti e la loro fusione, dà la possibilità di originare nuovi genotipi nelle progenie, derivanti dalla ricombinazione dei geni durante la meiosi nei genotipi parentali e dalla loro combinazione attraverso la fecondazione. Al contrario, tra le angiosperme, diverse specie sia monocotiledoni che dicotiledoni sono caratterizzate da riproduzione apomittica, ovvero da formazione di seme geneticamente materno prodotto in maniera agamica, in assenza di meiosi e di fecondazione. Tra le specie utilizzate come modello per lo studio dell’apomissia, Hypericum spp. e Boechera spp. sono sicuramente due tra quelle più importanti. Inoltre, mutanti caratterizzati dalla produzione di megaspore apomeiotiche sono stati scoperti e descritti in popolazioni naturali di numerose specie sessuali. All’interno della definizione generale di apomissia, due principali modelli sono stati definiti per spiegare l’origine materna delle progenie in conformità alle caratteristiche genetiche e funzionali del prodotto finale del processo agamico. Più in dettaglio, le due tipologie di apomissia gametofitica e sporofitica definiscono due strategie riproduttive alternative che portano rispettivamente alla formazione di un gametofito apomeiotico, come nel caso di Boechera spp. e Hypericum spp., o alla generazione di un sporofito avventizio, come in Citrus spp. Concentrandosi sulla prima categoria, i due possibili modelli aposporico e diplosporico sono attivi, rispettivamente, nei due generi Hypericum e Boechera. Recentemente è stato ipotizzato il coinvolgimento del gene Mob1-simile nella progressione alterata della meiosi in un mutante apomeiotico di erba medica produttore di ovocellule non ridotte. Una dettagliata analisi bioinformatica, realizzata studiando 192 sequenze dedotte dai 43 genomi attualmente sequenziati, ha consentito di delucidare la struttura della famiglia multigenica di cui fa parte questo gene e di indagare l’evoluzione della famiglia passando da organismi unicellulari ad organismi pluricellulari. Lo studio delle possibili funzioni del gene in relazione al processo riproduttivo è stato realizzato nella pianta modello Arabidopsis thaliana, attraverso il silenziamento post-trascrizionale del gene mediante RNAi. Le analisi morfologiche e cito-istologiche condotte nelle linee transgeniche hanno evidenziato alterazioni nell’architettura della pianta e soprattutto una parziale sterilità, come dimostrato dalla forte riduzione della produzione di seme. Osservazioni citologiche condotte negli ovuli hanno messo in evidenza alterazioni multiple a carico dei processi di sporogenesi e gametogenesi femminile responsabili, rispettivamente, della formazione di megaspore binucleate e della degenerazione di megagametofiti. L’identificazione di piante poliploidi nelle progenie delle piante silenziate per il gene Mob1-simile suggerisce l’esistenza di meccanismi apomeiotici responsabili della produzione di ovocellule non ridotte funzionali. Informazioni recentemente acquisite hanno dimostrato che H. perforatum può essere considerato un sistema adatto allo studio del modello aposporico dell’apomissia. Un approccio multidisciplinare è stato perseguito nel tentativo di chiarire le basi genetico molecolari e citologiche dell’apomissia in Hypericum spp. La formazione del sacco embrionale e la costituzione genetica del seme sono stati analizzati, rispettivamente, per mezzo di indagini citologiche di ovuli ed ovari in combinazioni con analisi DIC e attraverso analisi di citometria di flusso di semi (FCSS). Una indagine dettagliata della sporogenesi e della gametogenesi femminile ha permesso di definire le principali caratteristiche morfologiche delle strutture che svolgono un ruolo chiave nella formazione del sacco embrionale. Al contempo le analisi FCSS, attraverso la stima del contenuto di DNA nucleare di embrione ed endosperma, hanno fornito un potente strumento per lo studio del complesso scenario di riproduzione che si origina in Hypericum attraverso la concomitante produzione di gameti maschili e femminili sia ridotti che non ridotti. Inoltre, l’organizzazione del genoma di H. perforatum, con H. maculatum e H. attenuatum è stata studiata per mezzo di diversi approcci genetico-molecolari. L’ipotesi che H. perforatum possa essersi originato da un antico evento di ibridazione interspecifica tra la specie diploidi H. attenuatum e H. maculatum è stato valutato attraverso l’isolamento di marcatori molecolari co-dominanti di tipo SNP e la loro applicazione in H. perforatum e nei putativi progenitori. Inoltre, una nuova tecnologia di marcatori molecolari è stata messa a punto per l’amplificazione selettiva di membri di famiglie multigeniche ed in seguito applicata per la costruzione di mappe genetico-molecolari funzionali di H. perforatum. Infine, l’espressione temporale di due geni della famiglia genica APOSTART, ritenuti potenzialmente coinvolti nella regolazione dell’apomissia, è stata studiata mediante Real-Time PCR al fine di chiarire il loro ruolo sul controllo genetico dell’apomissia in H. perforatum.