Modelli di crescita cellulare in Arabidopsis

Nelle piante, le cellule si sviluppano in diversi tipi e si dispongono in schemi specifici. Capire come si formano questi schemi è una grande domanda nella biologia dello sviluppo. Lo strato esterno delle cellule vegetali, chiamato epidermide, è un ottimo esempio per studiare questi schemi perché è facile da vedere e esaminare al microscopio. A differenza degli animali, che di solito sviluppano i loro tessuti all'inizio della vita, le piante continuano a formare nuovi tessuti e schemi per tutta la loro vita.

Una pianta comune usata per lo studio è l'Arabidopsis thaliana, specialmente le sue foglie. La superficie di queste foglie contiene tre tipi principali di cellule: le cellule guardiane degli stomi, i tricomi e le cellule pavimentose. Le cellule guardiane degli stomi circondano piccole aperture chiamate stomi che permettono ai gas di entrare ed uscire. I tricomi sono cellule lunghe e ramificate che funzionano come peli per proteggere la pianta dagli erbivori. Il resto delle cellule, conosciute come cellule pavimentose, ha forme e dimensioni varie. Anche se è stata fatta molta ricerca sugli stomi e sui tricomi, le cellule pavimentose sono meno studiate. Gli scienziati sono particolarmente curiosi di capire perché alcune cellule pavimentose sono più grandi e hanno più DNA rispetto ad altre.

#Variabilità nelle cellule pavimentose

Studi hanno dimostrato che le cellule pavimentose nel sepalo di Arabidopsis variano molto in dimensione, alcune raggiungendo fino a 800 micrometri di lunghezza. Queste grandi cellule pavimentose sono conosciute come "Cellule Giganti". Si formano quando una cellula copia il suo DNA ma non si divide, il che porta a un aumento di dimensioni e contenuto di DNA. Una volta che una cellula inizia questo processo, di solito non si divide di nuovo. Il numero di cellule giganti tende a rimanere più o meno lo stesso all'interno di una pianta e tra diverse piante, ma il loro esatto arrendamento può essere diverso.

#Controllo genetico della formazione delle cellule

I ricercatori hanno identificato geni che controllano lo sviluppo delle cellule giganti nei sepali. Studiano piante con diverse mutazioni genetiche e hanno organizzato questi geni in una via che regola la formazione delle cellule giganti. Un gene importante si chiama ATML1, che aiuta a specificare le cellule giganti in base alla quantità di proteina presente. Se la funzione di ATML1 viene persa, il numero di cellule giganti diminuisce significativamente. Al contrario, quando ATML1 è sovraespresso, possono formarsi cellule giganti extra.

Un altro gene importante è ACR4, che lavora prima di ATML1 e aiuta a promuovere lo sviluppo delle cellule giganti. Le mutazioni in ACR4 riducono anche il numero di cellule giganti. Altri geni, come DEK1 e LGO, lavorano dopo ATML1 nella via. Le mutazioni in DEK1 possono eliminare completamente le cellule giganti, e le mutazioni in LGO portano a meno cellule giganti. Quando LGO è sovraespresso, il numero di cellule giganti aumenta.

#Sviluppo delle foglie e dimensione delle cellule

La dimensione delle cellule pavimentose può essere influenzata dagli inibitori CDK, inclusa LGO. In particolari mutanti, le cellule pavimentose non riescono a crescere grandi o continuano a dividersi quando dovrebbero fermarsi, portando a differenze in dimensione rispetto alle piante tipo selvatico. È interessante notare che, mentre la crescita delle cellule pavimentose può essere influenzata da questi geni, non si sa se questa via influenzi anche le cellule in altre parti della pianta.

Durante lo sviluppo delle foglie, i livelli cellulari crescono e si differenziano contemporaneamente. Questo è visibile poiché gli stomi sono distanziati sopra gli spazi aerei nella struttura interna della foglia. Negli studi sulle foglie di Arabidopsis, i ricercatori hanno iniziato a raccogliere dati su come variano le dimensioni delle cellule pavimentose e come sono disposte.

#Obiettivi della ricerca

Questa ricerca mira a fornire una comprensione complessiva migliore di come le cellule pavimentose siano distribuite e come le loro dimensioni si confrontino tra piante tipo selvatico e quelle con mutazioni in geni rilevanti. I ricercatori vogliono anche scoprire se le cellule pavimentose più grandi si formano in schemi specifici o se appaiono in modo casuale sulla superficie della foglia.

Per indagare su queste domande, i ricercatori hanno immaginato grandi sezioni di foglie e misurato la dimensione e l'arrendamento delle cellule pavimentose. Hanno confrontato come queste dimensioni variassero tra piante normali e mutanti per scoprire eventuali schemi nella loro formazione.

#Osservazioni e risultati

Nelle loro osservazioni, i ricercatori hanno scoperto che le cellule giganti non sono presenti solo da un lato della foglia; si formano su entrambe le superfici, quella superiore e inferiore. Tuttavia, il numero di cellule per unità di area tende a essere inferiore sulla parte superiore. Il numero maggiore di stomi sul lato inferiore contribuisce a questa differenza nella densità cellulare.

Inoltre, hanno scoperto che cellule più grandi hanno più DNA, il che significa che cellule più grandi probabilmente indicano una maggiore ploidia. Questa relazione era forte quando si confrontavano diverse cellule all'interno della stessa foglia.

#Dimensione delle cellule e sviluppo nel tempo

Man mano che le foglie si sviluppano, le cellule più grandi iniziano ad apparire, partendo dalla punta e diffondendosi verso il basso. I ricercatori hanno notato che questo schema continua fino a quando la maggior parte della foglia è riempita con cellule di dimensioni adeguate. Osservando come le cellule di diverse dimensioni progrediscono nel tempo, sono riusciti a documentare un modello sistematico di crescita nelle cellule pavimentose.

I ricercatori hanno anche trovato che le cellule più grandi continuavano a comparire nelle stesse posizioni sia nella parte superiore che in quella inferiore delle foglie. Tuttavia, le cellule grandi non si formano sempre direttamente di fronte l'una all'altra sui lati opposti della foglia.

#Cellule giganti e i loro schemi

Successivamente, la ricerca mirava a vedere se le cellule giganti siano disposte in modo casuale nelle foglie o seguano uno schema specifico. Questo è importante perché altri tipi di cellule, come i tricomi e gli stomi, tendono a essere distanziati a causa dei loro processi di crescita.

Per determinare se le cellule giganti fossero disposte in modo casuale, i ricercatori hanno analizzato la loro disposizione statisticamente. Hanno scoperto che le cellule giganti erano più propense a essere raggruppate piuttosto che disperse in modo casuale. Questo suggerisce che ci sia qualche meccanismo che incoraggia il loro raggruppamento vicino l'uno all'altro.

#Il ruolo della divisione cellulare

Lo studio ha esplorato se la divisione cellulare gioca un ruolo in come le cellule giganti si raggruppano insieme. I ricercatori hanno utilizzato un modello informatico per simulare come si formano le cellule giganti. Hanno scoperto che inizialmente, le cellule giganti appaiono in un modello casuale, ma man mano che altre cellule attorno a loro si dividono, le cellule giganti iniziano a raggrupparsi.

Le simulazioni hanno anche mostrato che anche nei tessuti in via di sviluppo reali, le cellule giganti iniziano in posizioni casuali e diventano più raggruppate nel tempo a causa della divisione delle cellule più piccole circostanti. Questo significa che il processo di crescita delle cellule vegetali può creare questi schemi non casuali senza comunicazione diretta tra di loro.

#Influenza delle vie genetiche

I risultati indicano che le vie genetiche che controllano lo sviluppo delle cellule giganti nei sepali sono attive anche nelle foglie. I ricercatori hanno confermato che diversi geni giocano un ruolo significativo in come si formano cellule grandi nelle foglie, simile alla loro funzione nei sepali. Le mutazioni in geni importanti hanno portato a una riduzione delle cellule giganti nelle foglie simile a quella vista nei sepali, confermando che gli stessi meccanismi sono in gioco.

#Relazione tra dimensione delle cellule e forma delle foglie

Anche la forma delle foglie è stata influenzata dai tipi di cellule presenti. Ad esempio, le piante con meno cellule giganti avevano foglie simili per dimensione rispetto alle piante tipo selvatico, suggerendo che la dimensione delle cellule non influenza significativamente la dimensione complessiva della foglia a causa di un effetto di equilibrio nel numero di cellule.

Tuttavia, le piante mutanti con dimensioni maggiori delle cellule, come quelle che sovraesprimono ATML1, finivano per avere foglie più piccole rispetto ai tipi selvatici. Questo riflette la complessità di come dimensione delle cellule, numero e forma delle foglie siano interconnessi nello sviluppo delle piante.

#Conclusioni

Attraverso questo studio, i ricercatori hanno evidenziato come le vie genetiche guidino la formazione e l'arrendamento delle cellule pavimentose nelle foglie. Gli schemi di dimensione cellulare e disposizione non sono solo casuali, ma sono influenzati sia da fattori genetici che dal processo di divisione cellulare. Queste osservazioni approfondiscono la nostra comprensione di come le piante si sviluppano e mantengono le loro strutture mentre si adattano a condizioni interne ed esterne. Ulteriori indagini aiuteranno a svelare i meccanismi specifici dietro questi processi di sviluppo e il loro significato evolutivo nelle piante.