Biologia Vegetale - Programma Completo

Appunti di biologia vegetale

I anno CTF, UNIMI A.A. 2020/2021 Rocco La Marca Chimica e Tecnologie Farmaceutiche, UNIMI.

Indice

0. Introduzione al corso 5 0.1. Ruoli ecologici 5 0.1.1. Impieghi economici 5 0.1.2. Classificazione delle piante 7.

1. La cellula vegetale 12 1.1.1.3.1. Fitosteroli 16 1.1.1.3.2. Fonti di fitosteroli 16 1.1.1.3.3. Funzione della membrana plasmatica 17 1.1.1.3.4. Il plasmodesma 17 1.1.1.3.5. Altri tipi di trasporto 18 1.1.1.3.6. Differenza parete e membrana 18 1.1.1.4.1. Funzioni della parete 19.

1.2. Pareti e vacuoli 21 1.2.1. Parete cellulare 21 1.2.1.1.1. Cellulosa 21 1.2.1.1.2. Emicellulosa 21 1.2.1.1.3. Pectine 22 1.2.1.5.1. Plasmodesmi 24 1.2.1.5.2. Biosintesi della cellulosa 25 1.2.1.5.3. Lignina 25 1.2.1.5.4. Proteine strutturali 26 1.2.1.5.5. Proteine enzimatiche 26 1.2.2. Interazioni della parete 27 1.2.2.1.1. Cutinizzazione 27 1.2.2.1.2. Mineralizzazione 27.

1.3. I vacuoli 28 1.3.1. Contenuto del vacuolo 28 1.3.2. Ruolo strutturale del vacuolo 29.

2. Organizzazione della pianta 31 2.0. Overview 31 2.0.1. Tessuti vegetali 31 2.1. Tessuti vegetali adulti 31 2.2. Il parenchima 32 2.2.2. Parenchima clorofilliano 34 2.2.3. Parenchima di riserva 34 2.2.4. Parenchima aerifero 35 2.2.5. Parenchima acquifero 36 2.3. Tessuti vegetali meccanici semplici 36 2.4. Collenchima 36 2.5. Sclerenchima 37 2.5.1. Localizzazione dei tessuti meccanici semplici 38 2.6. Tessuti vegetali complessi 38 2.6.1. Sistema vascolare 1 2.7. Floema, detto anche libro o cribro 39 2.7.1.1.1. Tubo cribroso (angiosperme) 40 2.7.1.1.2. Proteina P 42 2.8. Xilema (legno) 42 2.8.1. Tracheidi e trachee 42 2.8.2. Lignificazione 43 2.8.3. Differenze xilema e floema 44 2.9. Epidermide 46 2.9.1. Stomi 46 2.9.2. Peli protettori (peli tegumentari) 47 2.9.3. Sughero 48 2.9.4. Lenticelle 48 2.9.5. Rizoderma 48 2.9.6. Periderma 49.

2.10. Tessuti secretori 49 2.10.1. Tessuti secretori interni 49 2.10.2. Tessuti secretori esterni 50 2.10.2.1.1. Heliamphora 51 2.10.2.1.2. Drosera 51 2.10.2.1.3. Dionea muscipula 51 2.11. Tessuti meristematici 51 2.11.1. Meristemi 52 2.12. I meristemi 54 2.12.1. Meristema apicale del germoglio (SAM) 54 2.12.2. Dicotiledoni 57 2.12.3. Monocotiledoni 58 2.12.4. Meristemi secondari 59 2.12.5. Scorza ritidoma (o corteccia) 61 2.12.6. Foglie 62 2.12.7. Differenze tra dicotiledoni e monocotiledoni 62 2.12.8. Picciolo (nelle dicotiledoni) 63 2.12.9. Guaina (nelle monocotiledoni) 63 2.12.10. Nervature 64 2.12.11. Tricomi 64 2.12.12. Abscissione fogliare 65 2.13. Apparato radicale 66 2.13.1. Funzioni 66 2.13.2. Cuffia radicale 67 2.13.3. Cosa succede in una radice in sezione 69 2.14. Riproduzione nelle piante 70 2.14.1. Riproduzione vegetativa (asessuata) 70 2.15. Fiore (riproduzione sessuata) 72 2.15.1. Granulo pollinico 73 2.15.2. Gineceo 76 2.15.3. Ovulo 77 2.15.4. Diversità floreale 80 2.15.5. Ovario 81 2.15.6. Semi 84 2.15.7. Frutti 89.

23. Bioenergetica 92 3.0. Il metabolismo della pianta 92 3.1. Respirazione cellulare 93 3.1.1. Glicolisi 93 3.1.2. Respirazione aerobica 96 3.1.3. Fosforilazione ossidativa 96 3.1.4. Reazioni peculiari della cellula vegetale 97 3.2. La fotosintesi 99 3.2.1. Plastidi 99 3.2.2. Prime osservazioni storiche 101 3.2.3. Le clorofille 102 3.2.4. Ciclo di Calvin 104 3.2.5. Ciclo di Hatch-Slack 105 3.2.6. Ormoni vegetali 107 3.2.6.1.1. Com’è stata scoperta? 108 3.2.6.1.2. Effetto di radici trattate con auxina 3.

Guida

Pagine dal libro Gli appunti vanno integrati con queste pagine del libro “Biologia delle Piante” (Rost, Barbour Stocking, Murphy) ZANICHELLI:

• Unità 0 – Introduzione: pp. 1-32 (introduzione al corso); 324-545 (tassonomia e piante; riassumere molto).
• Unità 1 – La cellula vegetale: pp. 33-54.
• Unità 2 – L’organizzazione della pianta: pp. 55-128.
• Unità 3 – Bioenergetica della pianta: pp. 146-278.

0. Introduzione al corso

Le piante producono carboidrati a partire da CO e H O, sono fonte di cibo e producono molecole note con il nome di metaboliti secondari, che possiedono attività biologiche.

• Producono sostanza organica.
• Ossigenazione dell’aria.

Ma anche le piante utilizzano ossigeno nelle vie metaboliche: di notte, quando non c’è luce. (respirazione cellulare).

• Modificazione microclima -> mitigano l’innalzamento termico catturando CO2e abbassano l’effetto serra.
• Protezione del suolo rendendolo stabile rimuovendo acqua dal terreno. Questo diventa meno umido quindi più sicuro per l’uomo e per l’edilizia.
• Caratterizzano il paesaggio: conoscere la disposizione delle piante nel passaggio ci aiuta a delineare la storia del pianeta (modificazione clima).
• Costituisce l’habitat per gli animali.
• Piante decorative.
• Depurazione terreni -> alcune piante con il loro apparato radicale riescono a sottrarre sostanze nocive dal terreno.
• Uso alimentare.
• Piante da fibra.
• Legname e carta.
• Piante da resina e gomme.
• Combustibili e fossili.

0.1.1.1. Uomo e pianta

• Fonti di alimenti (carboidrati, proteine, vitamine, sali minerali).
• 70% terre coltivate nel mondo sono dedicate ai cereali.
• I cereali fanno parte del 50% del fabbisogno energetico umano.
• Carboidrati, proteine, spezie, aromi, oli, bevande.

0.1.1.2. Piante ad uso farmaceutico

Vengono utilizzati i prodotti del metabolismo secondario. Es.: i polifenoli sono antiossidanti e antinfiammatori.

• Digitalis Cinchona Lassativi.
• Papaver Sonniferi.
• Caffea Neurostimolatore.

0.1.1.3. Droghe calmanti e sonniferi

Papaverina, codeina, morfina Nel papavero sonniferi. Le sostanze si trovano nel calice.

Nel papaverum sonniferum il calice si trova nella capsula, frutto che a maturità non si apre lo si rompe fuoriesce un liquido, va rimossa l’acqua per evaporazione e poi si gratta la sostanza.

Morfina e Codeina, invece, sono analgesici forti.

Figura 0.0.1.1.1 - Morfina 6.

Le piante non sono gli unici organismi a fare fotosintesi. La tassonomia (detta anche “sistematica”) è la scienza che si occupa di dare un nome agli organismi e suddividerli in categorie. Per classificare gli esseri viventi dobbiamo riprendere la tassonomia di Linneo, che segue questa divisione (dal meno specifico al più specifico).

• Dominio Meno specifico, più Monere.
• Regno.
• Divisione (phylum).
• Classe Funghi.
• Ordine.
• Famiglia Protisti.
• Genere.
• Specie Più specifico, meno Animali.

0.1.2.1. Nascita della cellula vegetale

Figura 1.1 I 5 Regni – Cellula vegetale Vegetali.

Supposto che una cellula eucariote animale non sia in grado di produrre energia dalla luce, è però in grado di farlo mediante alla respirazione (mitocondri). I mitocondri non sono solo delimitati da una membrana a sé, ma hanno anche acidi nucleici propri (Endosimbiosi di procarioti ancestrali). Il DNA dei mitocondri ha palesemente una conformazione procariote (circolare).

I plastidi sono la sede dove avviene la fotosintesi e sono tipici della cellula vegetale.

0.1.2.2. Comparsa della vita

Miliardi di anni fa non era presente l’atmosfera, non c’era ossigeno e avevamo un ambiente di vapori di metano e ammoniaca. I raggi UV del sole uccidevano qualunque forma di vita uscisse dal mare. > I primi organismi fotosintetici dovevano in qualche modo proteggersi dal sole.

Queste forme di vita fuoriuscite dall’acqua trovarono il modo di colonizzare la terraferma. 7.

0.1.2.3. Esperimento di Miller-Urey

Figura 1.2 - Esperimento di Miller e Urey.

L’esperimento dimostra che partendo da semplici elementi organici, una scarica di energia (un fulmine) potrebbe avviare la formazione di macromolecole. L’esperimento è già approfondito negli appunti di Biologia Animale.

Manca un pezzo: la formazione delle cellule.

Si ipotizza che in un ambiente fosfolipidico in un sistema acquoso, nel raggiungere l’equilibrio le molecole tendono ad avvicinarsi tra loro e produrre delle sfere (membrane) -> Le code idrofobe vanno verso l’interno, le teste polari invece vanno verso l’esterno.

0.1.2.4. Flusso di energia e ciclo delle sostanze

La cellula è un percorso alternativo che l’energia può avere una volta raggiunto questo pianeta. L’energia proveniente da un fotone che colpisce il nostro pianeta provoca l’innalzamento della temperatura (effetto diretto dell’irraggiamento) quando colpisce una cellula può creare altre reazioni come quelle della costruzione di una macromolecola.

Le sostanze presenti nei vegetali sono trasmesse agli organismi che se ne nutrono.

I decompositori come funghi e batteri scompongono la lettiera e gli organismi morti restituendo le sostanze al suolo, che vengono poi assorbite dai vegetali.

Deve sempre esserci energia che fluisce nel sistema e anche delle sostanze: ci sono appunto elementi che si occupano di trasferire l’energia e permetterne lo sfruttamento.

L’energia tende a liberarsi nell’ecosistema sottoforma di calore.

Le cose si complicano quando compaiono forme di vita che non si nutrono da sole con la fotosintesi ma con l’alimentazione. (Piante < Erbivori < Carnivori).

0.1.2.5. Differenze animali e vegetali

• Movimento: proprio negli organismi animali, non proprio nei vegetali perché ancorati al suolo.
• Modalità di accrescimento: definito negli animali (ha inizio e una fine nello stato adulto). Indefinito nelle piante sono embrioni perenni.
• Nutrizione: eterotrofa negli animali (si nutre di altri organismi). Autotrofa nelle piante si costruiscono il cibo da sole.

0.1.2.6. Studio delle piante

Sono caratterizzate da foglie, fusto, fiore, radici.

La tassonomia è la scienza che studia nomenclatura, descrizione e classificazione delle forme di vita. La scienza esige nomi universalmente accettati e che si identifichino in una sola forma vivente.

La tassonomia di Carlo Linneo è gerarchica e raggruppa gli organismi nei TAXA (specie, generi, famiglie, ordini, classi, phylum, regno e dominio).

Il genere è un gruppo di specie con caratteristiche simili da ritenerle imparentate.

La specie raccoglie organismi strettamente imparentati per forma e colori di parti anatomiche, oltre che produzione di molecole (metaboliti secondari) o per genetica (DNA).

Ad ogni specie è attribuito un binomio specifico scritto sempre in corsivo:

• Matricaria recutita L.
• Matricaria discoidea L.

0.1.2.7. Briofite

• Sono prive di tessuto vascolare lignificato.
• Sono di piccole dimensioni e necessitano di acqua libera per la riproduzione.
• Hanno una generazione gametofitica dominante.

Le briofite sono state in grado di riemergere dalle acque ma sono piante semplici che hanno un tessuto vascolare che conferisce il trasporto dell’acqua ma non è lignificato. Necessitano continuamente di acqua libera (umidità, ruscelli…).

Gli organismi animali hanno un corredo genomico diploide e la duplicazione produce un doppio corredo identico al precedente (2n = 4). Le briofite, invece, provengono da organismi protisti (unicellulari o pluricellulari) che duplicano il batterio nel momento della riproduzione. Le briofite hanno un gametofito foglioso e uno sporofito.

Il gametofito non è necessariamente come un ovulo o spermatozoo animale, ma ha cellule con un solo corredo cromosomico (come le nostre cellule sessuali) e crescono e si moltiplicano sempre aploidi fino alla fase dello sporofita (embrione che cresce sopra il resto della pianta che rimane invece gametofita aploide). È come se un ovulo femminile si duplicasse fino a formare un ammasso di ovuli che formano un essere umano su un cuscino di ovuli.

9 Queste piante sono state in grado di formare un nucleo diploide nella zona dello sporofito. Buona parte dello sviluppo di questo individuo si sviluppa con la scissione aploide.

0.1.2.8. Tracheofite

Si riproducono tramite spore e hanno un tessuto vascolare lignificato e hanno sporofiti dominanti. Cioè, a differenza delle briofite hanno un.

L’esempio più classico sono le felci.

0.1.2.9. Gimnosperme

La caratteristica che le accomuna sono i semi non racchiusi in un frutto. Il seme è una struttura che racchiude all’interno l’embrione già fecondato in un tessuto energetico che contiene nutriente di sostentamento. Dentro il seme troviamo sia l’energia sia l’embrione.

Esempi: abete, cipresso, ginkgo, sequoia, ginepro, conifera…

0.1.2.10. Angiosperme

Gruppo di piante il cui seme è contenuto in un ovario maturo (un frutto). Sono piante che producono fiori e sono estremamente diffuse. Il fiore attira insetti o animali che disperdono gli embrioni avvantaggiando la diffusione della specie.

Le angiosperme hanno “inventato” i fiori e i frutti, strategie evolutive che potenziano la diffusione del seme, permettendone il trasporto a lunga distanza.

Si riproducono grazie al fiore, facendo sì che l’unione di due gameti avvenga all’interno dell’ovario del fiore, fecondato dal polline. In questo momento avviene una seconda fecondazione che produce un tessuto di rivestimento.

Questa è una doppia fecondazione, è come se per fare un uomo fossero necessari due spermatozoi e due ovuli: una coppia per creare l’individuo e l’altra per creare il tessuto di riserva energetico.

Se una gimnosperma avesse dovuto riprodursi, avrebbe creato una struttura di fecondazione dove raccoglieva materiale di sostegno che, in mancanza di fecondazione, veniva buttato. Le angiosperme, con questa seconda fecondazione, evitano questo problema.

0.1.2.11. Mono- e dicotiledoni

Nel germogliare, il seme espone i “cotiledoni”, ovvero tessuti di riserva energetica. Rivestiti dal tegumento, i dicotiledoni contengono non solo il tessuto di riserva (dei monocotiledoni) ma anche dei tessuti energetici usati per germogliare.

Sembrerebbero foglie, ma non sono capaci di fotosintesi. 10.

Nelle monocotiledoni non vediamo questi due tessuti ma solo una parte poco visibile della pianta che genera all’esterno la prima foglia. I dicotiledoni sviluppano la pianta per poi avvizzire i cotiledoni.

Nelle foglie dei monocotiledoni le nervature delle foglie sono parallele, nei dicotiledoni sono ramificate. 11.

1. La cellula vegetale

Il componente minimo più piccolo a cui si attribuiscono le funzionalità della vita. È un organismo che si separa dal mondo circostante tramite la membrana plasmatica. Gli organelli sono strutture specializzate all’interno della cellula. Ciascuno è associato ad alcune funzioni che le cellule devono svolgere e può essere studiato attraverso il microscopio. La cellula vegetale è stata una delle prime forme di cellule scoperte grazie al sughero.

Membrana plasmatica

Membrana ci aiuta a definire un volume o uno spazio all’interno del quale vengono coordinate tutte le reazioni che interessano la cellula.

Nucleo

Forma ovoidale irregolare con doppia membrana (involucro nucleare). Le membrane sono porose e permeabili a molecole. I cromosomi contenenti DNA e istoni (proteine) che formano la catena dei nucleosomi.

Nucleolo

DNA e cromosomi contengono le informazioni genetiche utilizzate per dirigere la sintesi proteica.

Sito in cui si formano e accumulano i complessi RNA-proteina (ribosomi).

Gli scambi sono bidirezionali (RNA esce mentre le proteine entrano).

Ribosomi

Corpuscoli densi costituiti da RNA e proteine, sintetizzano le proteine e sono agglomerati in poliribosomi connessi a un mRNA. I ribosomi di un poliribosoma lavorano alla sintesi della stessa proteina. 12.

Reticolo endoplasmatico

Può essere liscio o rugoso in base ai ribosomi che si trovano sulla superficie. Membrana tubolare chiusa e ramificata in prossimità del perimetro cellulare. La struttura non permette ai soluti di entrare nel reticolo se non attraversando la membrana.

Apparato di Golgi

Pila di vescicole appiattite e membranose, cisterne. Guida il movimento delle proteine verso i propri compartimenti. “Imballaggio” di proteine. Traffico rapido e continuo, il trasporto avviene mediante vescicole.

Mitocondri

Sito della respirazione cellulare. Le funzioni cellulari, come la sintesi, trasporto e immagazzinamento di proteine richiedono energia libera. I mitocondri assicurano la produzione di energia nella cellula.

Intensa attività metabolica.

• Pleiomorfismo: soggetti a frequenti cambiamenti di forma.
• Nella cellula vegetale si possono avere anche centinaia di mitocondri in funzione della cellula e dello stadio di sviluppo.
• La membrana esterna è permeabile a piccole molecole grazie alle porine mitocondriali.
• DNA mitocondriale per la sintesi endogena di proteine (legato alle creste).

Plastidi

Legati al metabolismo energetico.

Perossisomi

Organelli semplici e di picc