Sviluppo delle strutture riproduttive in piante a seme

Progetti di ricerca dell'Orto botanico di Padova

Lo studio dello sviluppo delle strutture riproduttive delle piante da un punto di vista molecolare ed evolutivo riveste un'importanza fondamentale nella comprensione delle dinamiche che regolano la biodiversità e l'adattamento delle piante.

A livello molecolare, lo studio dello sviluppo dei coni, fiori, semi e frutti consente di identificare i geni e i meccanismi coinvolti nel processo. Comprendere quali geni sono attivati in determinate fasi dello sviluppo e come interagiscono tra loro permette di delineare i percorsi molecolari che portano alla formazione di fiori e alla produzione di semi e frutti.

Dal punto di vista evolutivo, lo studio dello sviluppo di fiori, semi e frutti consente di tracciare le origini e l'evoluzione di queste strutture nel regno vegetale. Analizzando le differenze e le somiglianze nei meccanismi di sviluppo tra diverse specie di piante, è possibile ricostruire le modificazioni genetiche e morfologiche che hanno portato alla diversificazione delle strategie riproduttive. Queste informazioni forniscono importanti chiavi di lettura per comprendere come le piante si siano adattate alle variazioni ambientali e abbiano sviluppato strategie riproduttive specifiche. A questo scopo, nei laboratori di ricerca dell’Orto botanico vengono utilizzate tecniche di indagine molecolare (sequenziamento di RNA/DNA, studi di espressione tramite ibridazioni in situ) per l’identificazione e lo studio dei geni coinvolti nei processi di sviluppo delle strutture riproduttive in diversi gruppi di piante.

Finanziamenti: MIUR PRIN 20175R447S, MSCA-RISE “EVOfruland”

ITALIAN

La ricerca è incentrata sullo studio dello sviluppo del fiore e del frutto nella ninfea blu (Nymphaea caerulea) e in Trithuria submersa, due specie appartenenti al gruppo di piante considerate, dal punto di vista evolutivo, tra le prime che hanno sviluppato il fiore come struttura dedicata alla riproduzione. 

Referenti del progetto: dott.ssa Silvia Moschin, dott. Sebastiano Nigris, prof.ssa Barbara Baldan
In collaborazione con: prof.ssa Lucia Colombo - Università degli Studi di Milano, Simona Masiero - Università degli Studi di Milano, prof. Leonardo Bruno - Università della Calabria
Parole-chiave: fiore, riproduzione, Nymphaea caerulea, Trithuria submersa

La ricerca coinvolge due specie di gimnosperme, quel gruppo di piante che per prime hanno evoluto il seme come struttura riproduttiva e di colonizzazione di nuovi territori: Ginkgo biloba e Cycas revoluta. È incentrata sullo studio dei geni coinvolti nelle strutture riproduttive maschili e femminili e dell’interazione tra polline maschile e ovulo femminile per una corretta successiva fecondazione e sviluppo del seme.
Questa ricerca ha già dimostrato come l’arrivo del polline guidi lo sviluppo dell’ovulo rendendolo pronto alla fecondazione e trasformazione in seme (D’Apice et al., 2021, New Phytol., 2353, D’Apice et al., 2022, Am. J. Bot., 887).

Referenti del progetto: dott.ssa Elisabetta Offer, dott.ssa Silvia Moschin, dott. Sebastiano Nigris, prof.ssa Barbara Baldan
In collaborazione con: prof.ssa Lucia Colombo - Università degli Studi di Milano, prof. Leonardo Bruno - Università della Calabria
Parole-chiave: gimnosperme, ginkgo, cycas

 

 

L’affermazione del seme è stata una tappa chiave nell’evoluzione delle piante terrestri. I processi di impollinazione e fecondazione sono fondamentali nella riproduzione delle piante poiché assicurano la produzione dei semi e in definitiva la propagazione della specie. La maggioranza degli studi sulla riproduzione delle piante che producono semi sono stati condotti su specie modello, attraverso lo studio del loro fiore, ma per una migliore comprensione dell’evoluzione e dei meccanismi molecolari che regolano questi processi è necessario anche studiarli nelle gimnosperme, cioè le piante che producono semi senza avere dei veri e propri fiori. Nella gimnosperma Ginkgo biloba, il caratteristico albero con  foglie a ventaglio che diventano giallo oro prima di cadere in autunno, l’impollinazione e la fecondazione sono separate temporalmente, a differenza di quanto avviene nei fiori, in cui i due processi avvengono uno di seguito all’altro.
Dagli alberi di Ginkgo dell’Orto botanico di Padova sono state raccolte strutture riproduttive  maschili e femminili a diversi stadi di sviluppo. Utilizzando questo materiale e tecniche di indagine avanzate (analisi RNAseq, trascrittomica, metabolomica, diversi approcci morfologici, ibridazione in situ) sono stati studiati dettagliatamente lo sviluppo del polline, il meccanismo di impollinazione, la germinazione del tubetto pollinico dentro l’ovulo e, per la controparte femminile, lo sviluppo dell’ovulo e i meccanismi di fecondazione. La descrizione dei geni attivati o soppressi nel momento cruciale dell’impollinazione (D’Apice et al., 2021, New Phytol., 2353) e il dialogo molecolare tra sporofito e gametofito femminile (D’Apice et al., 2022, Am. J. Bot., 887) sono stati recentemente pubblicati dal gruppo, che coordina un progetto finanziato  dall’EU (MSCA-RISE EVOFRULAND) coinvolgendo altri 13 gruppi di ricerca internazionali.

Referente: prof.ssa Barbara Baldan
In collaborazione con: 13 gruppi di ricerca internazionali nell’ambito del progetto europeo MSCA-RISE EVOFRULAND, di cui Padova è capofila
Parole-chiave: gimnosperme, polline, riproduzione, semi, Ginkgo biloba

 

ENGLISH

The research focuses on the study of flower and fruit development in the blue water lily (Nymphaea caerulea) and Trithuria submersa, two species belonging to the group of plants that, from an evolutionary point of view, are considered to be among the first to develop the flower as a structure dedicated to reproduction. 

Project contacts: Dr. Silvia Moschin, Dr. Sebastiano Nigris, Prof. Barbara Baldan

In collaboration with: Prof. Lucia Colombo - University of Milan, Dr. Simona Masiero - University of Milan, Prof. Leonardo Bruno - University of Calabria

Keywords: flower, reproduction, Nymphaea caerulea, Trithuria submersa

The research involves two species of gymnosperm, the group of plants that first evolved the seed as a structure for reproduction and the colonisation of new territories: Ginkgo biloba and Cycas revoluta. The study focuses on the genes involved in the male and female reproductive structures and the interaction between male pollen and female ovule for correct subsequent fertilisation and sperm development.

The research has already shown how the arrival of pollen drives ovule development, making it ready for fertilisation and transformation into seed (D’Apice et al., 2021, New Phytol., 2353, D’Apice et al., 2022, Am. J. Bot., 887).

Project contacts: Dr. Elisabetta Offer, Dr. Silvia Moschin, Dr. Sebastiano Nigris, Prof Barbara Baldan

In collaboration with: Prof. Lucia Colombo - University of Milan, Prof. Leonardo Bruno - University of Calabria

Keywords: gymnosperms, ginkgo, cycas

 

Establishment of the seed was a key stage in the evolution of land plants. Pollination and fertilisation are fundamental processes in plant reproduction as they ensure seed production and ultimately propagation of the species. Most studies on the reproduction of seed-producing plants have been carried out by studying the flowers of model species, but for a better understanding of the evolution and molecular mechanisms regulating these processes, they must also be studied in gymnosperms, namely plants that produce seeds without genuine flowers. In the gymnosperm Ginkgo biloba, a characteristic tree with fan-shaped leaves that turn golden yellow before falling in autumn, pollination and fertilisation are separated in time, unlike in flowers, where the two processes occur one after the other.

Male and female reproductive structures at different stages of development were collected from Ginkgo trees in the Botanical Garden of Padua. Using this material and advanced investigation techniques (RNAseq analysis, transcriptomics, metabolomics, various morphological approaches, in situ hybridisation), pollen development, pollen tube germination inside the ovule and, for the female counterpart, ovule development and fertilisation mechanisms were studied extensively. A description of the genes activated or suppressed at the crucial moment of pollination (D’Apice et al., 2021, New Phytol., 2353) and the molecular dialogue between sporophyte and female gametophyte (D’Apice et al., 2022, Am. J. Bot., 887) were recently published by the group, which coordinates an EU-funded project (MSCA-RISE EVOFRULAND) involving 13 other international research groups.

Contact: Prof. Barbara Baldan

In collaboration with: 13 international research groups involved in the European MSCA-RISE EVOFRULAND project, with Padua as the lead partner

Keywords: gymnosperms, pollen, reproduction, seeds, Ginkgo biloba