Appunti di Biologia vegetale

Scienze biologiche

Introduzione alla biologia vegetale

La biologia vegetale comprende diverse discipline che studiano vari aspetti delle piante:

• Citologia studia le cellule.
• Istologia studia i tessuti.
• Anatomia studia la disposizione di tessuti e organi.
• Organografia studia gli organi descrivendoli dall'esterno.
• Fisiologia studia gli aspetti funzionali.
• Botanica sistematica classifica le piante in gruppi (taxa).
• Ecologia evidenzia le relazioni tra vegetali e ambiente.

I livelli di studio includono molecolare, cellulare, organografia e di organismo. Le metodiche sono morfologiche, fisiologiche, biochimiche e genetiche. La botanica studia tutti gli organismi vegetali in tutti i loro aspetti.

Origine della vita

La vita ebbe origine circa 3,85 miliardi di anni fa con la prima cellula, il "progenitore comune", da cui si sono originati i tre domini attualmente esistenti: batteri, archea ed eucarioti. Dai batteri si sono poi originati gli eubatteri, dagli archei gli archeobatteri e dagli eucarioti i protisti, le piante, i funghi e gli animali.

Circa 2,8 miliardi di anni fa compaiono i primi organismi in grado di fare la fotosintesi, i cianobatteri. Questa è una funzione comune a tutti gli autotrofi che consiste nello sfruttare CO₂ e H₂ per ottenere glucosio e ossigeno. Questo ossigeno veniva rilasciato nell’atmosfera e ha permesso lo sviluppo e l’evoluzione di tutti gli altri organismi aerobi.

Funzioni cellulari

Per sopravvivere, le cellule svolgono numerose funzioni:

• Ottenere energia e trasformarla (tramite la fotosintesi nelle piante e l’alimentazione negli animali).
• Convertire l'informazione genetica in strutture proteiche.
• Disporre di comparti separati (per non interferire) per svolgere le reazioni chimiche citoplasmatiche.

Dimensione degli organismi

Le cellule hanno dimensioni molto piccole perché è importante mantenere un elevato rapporto tra la superficie esterna e il volume al fine di garantire un adeguato scambio di nutrienti e cataboliti per e dal citoplasma. Le cellule devono scambiare informazioni con altre cellule e con l'esterno.

Le cellule vegetali presentano alcune differenze rispetto alle cellule animali: presentano una parete cellulare, un vacuolo, dei plastidi, una forma squadrata, dei plasmodesmi (sono canalicoli che mettono tutte le cellule in comunicazione) e non presentano i centrioli.

Organismi autotrofi ed eterotrofi

A seconda delle modalità con cui la cellula ricava l'energia per il metabolismo si riconoscono:

• Organismi autotrofi: comprendono tutte le piante, le alghe azzurre e alcuni batteri.
• Organismi eterotrofi: comprendono tutti gli animali, i funghi e gran parte dei batteri.

Organismi fotosintetici

Gli organismi fotosintetici (e quindi autotrofi) sono:

• Procarioti: batteri, alghe azzurre.
• Protisti: microalghe (eucarioti unicellulari).
• Eucarioti pluricellulari: piante e alghe (le alghe verdi presentano flagelli mentre le macroalghe verdi sono laminari e presentano una parte basale nel substrato e una che sporge che fa la fotosintesi).
• Cianobatteri: procarioti con morfologia unicellulare (con diametro 0,2 micron) filamentosa ramificata e non ramificata (lunghe fino a 100 micron).

La nutrizione autotrofa permette di dare un'interpretazione a molti dei caratteri tipici delle piante, come l’immobilità: il nutrimento della pianta è infatti distribuito nell'ambiente in modo abbastanza omogeneo quindi gli spostamenti sono inutili.

Differenze tra animali e vegetali

Le principali differenze tra animali e piante sono:

• Animali: ricercano il cibo attraverso il movimento.
• Piante: la ricerca avviene invece attraverso l'espansione di nuove superfici sia nell'aria che nel terreno; la crescita di una pianta equivale al movimento di un animale.
• Animali: accrescimento definito. Aumento di dimensioni del corpo limitato nel tempo.
• Piante: accrescimento perenne. L’aumento di dimensioni continua per tutta la vita.
• Animali: risposte veloci agli stimoli che presuppongono una precisa coordinazione tra gli organi.
• Piante: hanno risposte agli stimoli più lente ma hanno maggiore autonomia degli organi, manifestata con un'enorme capacità di rigenerazione (talea e talea fogliare, due pratiche che danno dei cloni).
• Animali: tendenza a mantenere un ambiente interno costante (temperatura corporea, sangue) nonostante il variare delle condizioni esterne.
• Piante: si adattano passivamente ai cambiamenti delle condizioni esterne.

Quindi, i caratteri tipici delle piante sono:

• Sviluppo di grandi superfici.
• Immobilità.
• Accrescimento indefinito.
• Lenta risposta agli stimoli.
• Alto grado di autonomia degli organi ed elevata capacità rigenerativa.

Movimento nelle piante

Anche se ridotti, i movimenti nelle piante esistono. Alcuni esempi sono gli stomi, costituiti da due cellule reniformi che circoscrivono un'apertura, sono localizzati sull'epidermide delle piante e consentono il passaggio dell'aria dall’esterno all’interno (con l’anidride carbonica per la fotosintesi e l’ossigeno per la respirazione) e viceversa, permettendo anche la fuoriuscita dei prodotti di scarto, come il vapore acqueo. Queste aperture sono regolabili: si possono aprire e chiudere a seconda della temperatura (se c’è troppo caldo si chiudono per evitare un’elevata perdita di acqua).

Il pistillo contiene il sacco embrionale dove è contenuto il gamete femminile. Quando il polline raggiunge il pistillo germina. Il polline emette il tubetto pollinico che cresce, in maniera polarizzata, verso quindi la regione apicale, all'interno del pistillo. L'apice del tubo libera i gameti maschili e si ha la fecondazione. Il tubetto pollinico trasporta quindi il gamete maschile al gamete femminile.

Nella regione apicale del tubicino vi è un’elevata motilità di organuli, elementi citoscheletrici e vescicole. Le vescicole di piccole dimensioni si fondono, determinando l’allungamento del tubicino, gli organuli arrivano e tornano indietro, il citoscheletro, in prossimità dell’apice, presenta filamenti più corti e vi sono anche alcune cellule con il nucleo che si muovono in modo costante, più distanti dall’apice.

Altre piante appena toccate chiudono le proprie foglie. I germogli, una volta trovata la sorgente luminosa, si spostano per seguirla. Nelle piante grasse carnivore quando vengono sollecitati tre recettori insieme (pelettini) questa si chiude per catturare la preda.

Le piante, vivendo in ambiente aereo, hanno sviluppato delle vie metaboliche e strutture per risparmiare acqua, come gli stomi e la presenza di una cutina esterna che riveste le foglie.

Fotosintesi

La fotosintesi è comparsa per la prima volta 2,8 miliardi di anni fa in un cianobatterio. Questa sfrutta energia luminosa, anidride carbonica, ioni inorganici prelevati dal terreno e acqua per ottenere glucosio che è fonte di energia. Quindi, l’energia luminosa (per esempio del sole) viene trasformata in energia chimica (glucosio). Tra i prodotti di scarto abbiamo l’ossigeno molecolare. Le piante presentano delle nervature che vanno mano a mano assottigliandosi che portano acqua, ioni e materiali ricchi di energia, presenti in soluzione acquosa, alle cellule.

Equazione della fotosintesi:
6 CO₂ + 12 H₂O + ENERGIA SOLARE = C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ + 6 H₂O

Bruciare glucosio significa ossidarlo (quindi serve ossigeno) ed è ciò che viene fatto nei mitocondri. L’energia chimica in esso contenuto si può anche sfruttare attraverso la glicolisi anaerobica.

Quante piante ci vogliono per fornire ossigeno sufficiente a una persona? Le piante assorbono CO₂ e emettono O₂. Occorrono 10600 foglie, in stagione di crescita, quindi nelle migliori condizioni, per produrre ossigeno per una persona a riposo. Il numero di piante dipende dalla specie considerata e dalla quantità di foglie.

Regolazione dell'atmosfera

Le piante regolano la composizione dell'atmosfera:

• Le piante regolano le quantità relative di ossigeno, anidride carbonica e vapore acqueo nell'atmosfera.
• Mitigano l’effetto serra; mantengono costante la CO₂, consumandola, e quindi anche la temperatura.
• Determinano l'umidità atmosferica, dal momento che l’acqua viene assorbita dalle radici, passa dallo stato liquido a quello gassoso e viene rilasciata tramite la traspirazione.
• Controbilanciano l'aumento della CO₂ prodotta dall'uomo (infatti la consuma).
• Contribuisce alla formazione dello strato di ozono che ci protegge, dal momento che, in presenza di radiazioni UV, l’O₂ può essere trasformato in O₃ (ozono).

Le variazioni climatiche stanno portando alcune zone del pianeta ad essere esposte a condizioni climatiche estreme (aumento delle temperature, cambiamenti dell’umidità): bisogna abbassare il livello di CO₂.

Le variazioni climatiche portano anche a spostamenti delle piante. Con spostamenti si intende conquista di nuovi territori grazie alla dispersione del proprio seme.

Piante invasive

Le variazioni climatiche potranno anche facilitare la conquista di nuovi areali da parte di piante cosiddette invasive. Es. Ambrosia artemisiifolia. Questa si è spostata dai Balcani al centro Europa (fino in Lombardia) e all’Africa. Altre piante ancora cambiano di altitudine invece che di areale.

Piante usate per fabbisogni energetici

• Combustibili fossili derivano dalla decomposizione di organismi vegetali fossili.
• Legna.
• Ricerca di fonti di energia alternative.

Piante come fonte di importanti materie prime

• Fibre tessili (cotone, lino, canapa, iuta).
• Legno.

Piante come farmaci

Piante coltivate per ottenere importanti prodotti chimici messi in commercio dalle industrie farmaceutiche. ESEMPI:

• L’aspirina, per esempio, presenta un principio attivo che si ricava dal Salix alba.
• Chinino: alcaloide naturale avente proprietà antipiretiche, antimalariche e analgesiche. Veniva estratto dalla corteccia dell'albero della China. Viene dalla parola inca (corteccia dell'albero). La Cinchona è la pianta dell'albero.
• Artemisinina: composto naturale, nuova terapia contro la malaria, farmaco più usato al mondo. Deriva dall’Artemisia annua.

Tra i metaboliti secondari prodotti dalle piante abbiamo alcuni noti alcaloidi come la caffeina (dal caffè e dal tè), la nicotina (dal tabacco), la colchicina, la morfina e la mescalina (dai cactus).

Piante transgeniche

Sono piante a cui vengono date le caratteristiche che più si preferisce. Un esempio è la melanzana transgenica: questa è senza semi e si sviluppa per partenogenesi (per questo non ha semi).

Classificazione delle piante

Le piante, a seconda della loro organizzazione, sono suddivise in:

• Tallofite (piante senza veri tessuti)
• Briofite* [il prof non l’ha definito come un gruppo a parte (hanno aspetti sia di tallofite che cormofite) ma le metto qui]
• Cormofite o tracheofite o embriofite (piante con fusto, trachee e con embrione durante lo sviluppo)

Tallofite

Il loro corpo non è organizzato in tessuti veri e propri e specializzati. Tra queste piante abbiamo alghe e licheni.

Briofite

Presentano alcuni aspetti sia delle tallofite che delle cormofite. Il loro portamento è sempre vicino al terreno. Tra queste piante abbiamo muschi, epatiche e antocerote.

Cormofite o tracheofite o embriofite

Con queste abbiamo la comparsa della lignina, che è un metabolita secondario che va a costituire il legno. Il loro corpo è organizzato in fusto che svolge le funzioni di conduzione, sostegno e riserva. Presentano le foglie e le loro funzioni sono: fotosintesi e scambi gassosi con ambiente. Hanno delle radici nella parte basale che hanno funzione di assorbimento acqua e ancoraggio al suolo.

Le piante appartenenti a questo gruppo sono classificate in:

• Pteridofite
• Spermatofite

Queste a loro volta si dividono in:

• Gimnosperme
• Angiosperme e questa ancora in:

• Dicotiledoni
• Monocotiledoni

Pteridofite

Sono piante comuni in ambienti umidi e ombrosi perché hanno bisogno di acqua e umidità. Tra queste abbiamo le felci, la Dryopteris filix-mas, la Marsilea hirsuta e la Adiantum capillus-veneris.

Gimnosperme

Il nome significa "piante a seme nudo" perché gli ovuli sono a contatto con l’ambiente. Hanno un fiore maschile e uno femminile. Le foglie carpellari portano gli sporangi femminili e quindi le macrospore che originano il gametofito femminile mentre le foglie staminali che portano gli sporangi maschili e quindi le microspore che originano il gametofito maschile.

A questo gruppo appartengono:

• Coniferophyta (500 sp.)
• Cycadophyta (150 sp.)
• Snetophyta (80 sp.)
• Gingkophyta (1 sp. e cioè il Gingko biloba)

Angiosperme

Il nome significa "piante a seme racchiuso". Si dividono in:

• Dicotiledoni
• Monocotiledoni

Le piante appartenenti a questi due gruppi presentano numerose differenze nelle foglie, nei fiori, nelle radici, nelle nervature e nei semi.

Dicotiledoni

• Apparato radicale principale ben evidente. C’è una gerarchia nelle loro radici: ve n’è una principale e le altre sono ramificazioni.
• Comprende alberi, cespugli, rampicanti, piante erbacee.
• Il seme in sezione presenta due cotiledoni, o foglie embrionali.
• Le parti dei fiori (petali, sepali, ecc.) sono di solito 5, più raramente 4.
• Le foglie presentano il picciolo e le nervature si suddividono in nervature principali (foglie penninervie e palminervie) e secondarie. In generale, sono retinervie. Le foglie inoltre sono semplici o composte.

Monocotiledoni

• Apparato radicale formato da molte radici dello stesso calibro con anche filamenti sottili.
• Sono quasi tutte piante erbacee tranne alcune (palme).
• Il seme in sezione presenta un cotiledone e tutto intorno l’endosperma (materiale di riserva).
• Le parti dei fiori sono 3 o multipli di 3 (giglio, iris, triticum o grano, ecc.).
• Le foglie non presentano il picciolo. Le nervature sono tutte parallele tra loro quindi non presentano ramificazione. In generale, sono parallelinervie.

I cotiledoni svuotano perché la crescita della pianta avviene a discapito dei cotiledoni.

Plastidi

Questi sono alcuni degli organuli più caratteristici delle cellule vegetali. Ne esistono di tante forme e tipi diversi; sono grandi circa 4-10 micron e se ne trovano diversi nei diversi distretti della pianta. Tra i vari plastidi abbiamo i cloroplasti: dentro presentano un sistema di membrane molto elettrondenso e dei granuli di amido, che sono i prodotti della fotosintesi.

Tutti i plastidi svolgono funzioni importanti; hanno ribosomi, DNA circolare non associato ad istoni, crescono e si riproducono per divisione. I cloroplasti fanno la fotosintesi, gli altri svolgono funzioni diverse come sintesi, accumulo e trasporto di lipidi, accumulo di carboidrati e ferro, pigmentazione. Sono delimitati da due membrane: una interna e una esterna. Queste due sono separate da un piccolo spazio. Internamente i plastidi contengono lo stroma: una fase solubile amorfa. La membrana esterna è molto ricca di lipidi, ha bassa densità ed è permeabile a molecole di medie dimensione grazie a proteine canali e porine. La membrana interna è più selettiva e permette il passaggio di piccole molecole, per quelle grandi intervengono trasportatori. La membrana interna è sede di enzimi fondamentali in alcune vie metaboliche. Entrambe le membrane sono coinvolte nella traslocazione all’interno di proteine codificate dal nucleo e sintetizzate dai ribosomi che devono raggiungere i plastidi. Sono implicate nel riconoscimento delle sostanze.

Meccanismo per l’importazione delle proteine dentro i plastidi

Sulla membrana dei cloroplasti sono presenti dei complessi traslocatori per far entrare o uscire le proteine. Questi traslocatori agiscono simultaneamente nei punti di contatto tra le membrane e prendono il nome di TOC (se si trovano sulla membrana esterna) e di TIC (se su quella interna). Questi traslocatori sono macchinari d’importazione che riconoscono, grazie ad un segnale peptidico, la molecola da fare entrare. Questa, una volta riconosciuta, viene fatta entrare attraverso un trasporto attivo ATP dipendente. TIC e TOC lavorano sinergicamente e contemporaneamente nel sito di contatto delle due membrane. Abbiamo due meccanismi grazie ai quali le proteine vengono fatte entrare:

• Se le proteine non sono solubili in acqua avremo la formazione di vescicole di endocitosi a partire dalla membrana interna.
• Se le proteine sono solubili entrano anche attraverso il TIC senza bisogno di vescicole.

Diversi tipi di plastidi

• Proplastidi: sono plastidi giovani, piccoli e indifferenziati che possono differenziarsi e dare origine a tutti quei diversi tipi di plastidi elencati. Il nome significa "plastidi primitivi". Si trovano nelle cellule meristematiche e presentano un sistema di membrane scarsamente sviluppato.
• Cloroplasti: sono i plastidi che si occupano della fotosintesi ed è per questo che presentano dei granuli di amido (prodotto fotosintesi). Si formano se il proplastidio viene esposto alla luce e saranno verdi per via della presenza di clorofilla. Hanno un sistema interno costituito da numerose membrane e ben organizzato; esse formano dei dischi pilati. Accumulano amido primario prodotto in eccesso.
• Cromoplasti: contengono grandi quantità di pigmenti lipidici e si trovano, per esempio, nei fiori e nei frutti.
• Ezioplasti: si formano in tessuti determinati a diventare fotosintetici.