Domande e risposte Fisiologia

Funzioni dell'acqua nella cellula e nella pianta

L’acqua è il costituente funzionale. Le piante hanno disponibilità di H₂O in base alle quantità di acqua, ma anche in base all’energia libera che l’acqua può dare al sistema pianta. È un costituente dei tessuti di accrescimento (meristemi) in cui può raggiungere fino al 95% del peso e nei tessuti di riserva. Come i semi, le sue funzioni sono molteplici:

• L'acqua è il solvente di molte reazioni che avvengono a livello cellulare. Quindi rappresenta l'ambiente di alcune reazioni.
• L'acqua contenuta nelle cellule non è sempre la stessa, anzi, cambia periodicamente. Questo processo è fondamentale per le piante perché permette il raffreddamento delle stesse.
• L'acqua rappresenta anche il veicolo di trasporto dei nutrienti e degli ormoni nel floema e nello xilema.
• Infine, l'acqua permette gli scambi gassosi, infatti dal floema esce il vapore acqueo ed entra la CO₂.

Stato di turgore cellulare / stato di appassimento: La cellula è turgida quando la membrana cellulare, o plasmodesma, preme contro la parete cellulare. Quando la cellula è turgida, il simplasto è in equilibrio con l'apoplasto e non c'è più scambio. Il turgore all'interno della cellula vale 1 MPa. Per mantenere questo stato la cellula compartimenta al suo interno più sali di quanti siano contenuti nell'apoplasto: il potenziale osmotico, quindi, deve valere -2, infatti la concentrazione salina è doppia all'interno del simplasto rispetto all'apoplasto. La cellula appassisce quando la traspirazione è forte e l'acqua del suolo non basta a compensare le perdite. Il potenziale osmolitico dell'apoplasto passa da -1 MPa a -2 MPa in quanto a evaporare è solo l'acqua e non i sali. Il turgore si perde e le cellule collassano, il citosol si svuota e le cellule si afflosciano e si ha l'appassimento.

Variazioni di potenziale idrico nel continuum suolo-pianta-atmosfera

Il potenziale idrico (W) è lo stato energetico dell'acqua all'interno di un organo vegetale, si tratta quindi dell'espressione dell'energia libera associata all'acqua. L'acqua quando è completamente libera, a pressione atmosferica e a livello del suolo ha potenziale idrico = 0. Quindi il suo massimo potenziale è zero. L'acqua si muove liberamente da stadi energetici superiori a stati inferiori. Il potenziale idrico si misura in Pascal ed è suddiviso in diverse componenti che in alcuni casi possono anche essere positive ma la loro somma è sempre negativa. Le componenti del potenziale idrico sono Ψ*, Ψπ, Ψm, Ψp, Ψg :

• Ψ* è il potenziale di riferimento;
• Ψπ è la componente osmotica, è sempre negativa ed è =-RTcs, ed è direttamente proporzionale con segno meno all'osmolalità dell'acqua nel tessuto;
• Ψm è la componente matriciale, è sempre negativa e dipende dalle sostanze inerti con cui viene a contatto l'acqua: sostanze via via più fini trattengono maggiormente l'acqua;
• Ψp è la componente di pressione o turgore che l'acqua esercita contro la parete cellulare, è sempre positiva. Questa componente determina la crescita degli organismi vegetali;
• Ψg è la componente gravitazionale (pgh), è sempre positiva ed essendo legata alla forza gravitazionale dipende dall'altezza. Ha un gradiente di salita per metro lineare di -10.01 MPa m.

L’acqua entra nelle cellule secondo il gradiente di potenziale idrico (da + a -) fino a quando il potenziale idrico interno equivale al potenziale idrico esterno (apoplasto Ψ = Ψπ).

Psicrometro

Lo psicrometro serve per misurare la variazione del potenziale idrico tramite la misura della variazione di T. Si tratta di un cilindro contenente aria disseccata e una termocoppia collegata al misuratore. Intorno alla termocoppia viene messa una goccia di una soluzione con potenziale idrico noto e si misura la T. Una volta eseguita la misurazione viene inserito all'interno del sistema una parte del tessuto vegetale di cui si vuole conoscere il potenziale idrico. Se il potenziale idrico del vegetale è superiore a quello che avvolge la pallina il vapore passa spontaneamente del tessuto alla pallina e si avrà un abbassamento di T, se invece è inferiore se ne misurerà un aumento. Conoscendo la variazione di T della sferetta possiamo stimare il potenziale idrico.

Un altro metodo per misurare il potenziale idrico, che può essere effettuato in campo, è la camera a pressione di Scholander: è costituita da un cilindro nel quale si mette il campione, comprimendo l'aria all'interno della camera si pressurizza fino a quando il campione inizia a bagnarsi facendo uscire la linfa. Il potenziale idrico della foglia sarà il reciproco della pressione di aria che ho dato. Di solito si effettua sulle foglie.

Un metodo più sofisticato per misurare il potenziale idrico è la sonda di pressione, viene utilizzata a fini di ricerca e ne esistono una decina in tutto il mondo. Si tratta di una microsonda di vetro che buca la cellula, il succo cellulare spinge l'olio dentro al tubo e un sensore ne misura la pressione.

Forze di tensione/coesione ed embolismi (danni e recupero)

Le forze di tensione e di coesione permettono alle molecole d'acqua di essere tese e coese le une alle altre. Fino a quando la differenza di potenziale non supera le forze di tensione e di coesione l'acqua continua a passare nei vasi xilematici, in caso contrario le molecole d'acqua si distanziano tra loro o si rompono e l'aria penetra al posto delle molecole d'acqua. Questo fenomeno è detto embolismo. La pianta può intervenire per togliere l'acqua in diversi modi:

• Aumentando la pressione radicale, in modo da spingere su l'acqua e riempire il vaso;
• By-passando l'embolo grazie ad alcune possibili comunicazioni tra vasi;
• Producendo ogni anno un nuovo tessuto xilematico;
• Riducendo la traspirazione, lo xilema aumenta la concentrazione di osmoliti e richiama l'acqua dalle cellule intorno per eliminare la bolla.
• Una diversa teoria suggerisce che le cellule attorno ai vasi espellono i sali e per osmosi inversa spruzzano l'acqua nei vasi.

Le piante con vasi grandi conducono bene, ma sono estremamente vulnerabili all’embolismo. Quando la traspirazione è eccessiva o quando manca l’acqua, l’embolizzazione salvaguardia il processo di dissipazione dell’acqua. Lo stato di embolismo non è irreversibile, può essere recuperato, ma il recupero non avviene sempre. Il recupero necessita di una spesa energetica e di osmoliti (componenti responsabili per il fenomeno dell’osmosi), l’attivazione di acquaporine e il rallentamento della traspirazione.

Formazione di emboli: traspirazione (perdita di vapor acqueo da parte delle foglie tramite stomi) che si ferma.

Ruolo delle acquaporine

Le acquaporine sono proteine transmembrana. Possono appartenere alla super famiglia delle PINPs e disposte transmembrana sulla membrana cellulare e alla super famiglia delle IIP quando sono le Intrinsic Proteins del tonoplasto. All'interno del citosol permettono il passaggio di acqua dal citoplasma al vacuolo e viceversa. L'attivazione delle acquaporine avviene grazie ai legami fosfato, quindi perché avvenga questo flusso ci dev'essere la fotosintesi che produce le proteine e l'assorbimento necessario per avere il fosforo che le attivi.

Traspirazione fogliare: biofisica del fenomeno (umidità relativa, temperatura)

La foglia è un organo della pianta, attraversato da numerosi fasci cribro-vascolari (vasi xilematici e vasi floematici) che costituiscono le nervature della foglia. Nelle piante, passando dalle zone profonde della radice alle zone prossimali, dalle zone del fusto sino alle foglie e alle ultime propaggini vascolari, il vaso xilematico diventa sempre più piccolo e quindi la conduttanza idraulica diminuisce. L'acqua evapora dagli stomi meglio, rispetto a quanto possa fare dai rami o dal fusto perché le piante sono rivestite da cuticola, cioè uno strato idrofobico (che respinge l'acqua).

L’acqua che esce dalle piante, e che va nell'atmosfera, non è determinata dalle piante ma dall'atmosfera stessa a causa di una differenza di concentrazione di vapore acqueo fra l'area negli spazi airiferi della cellula e l'area esterna. All'interno degli spazi airiferi della foglia il contenuto di vapore acqueo è maggiore rispetto al vapore acqueo presente nell'atmosfera. Ciascun flusso di vapore d'acqua è determinato da un gradiente di energia e controllato da una resistenza che si oppone al flusso.

Flusso = ΔΨ/r ΔΨ= differenza di energia dell'acqua misurata in pressione tra l'acqua che evapora dalla camera stomatica e l'acqua presente nell'atmosfera r= resistenza stomatica. Durante la fase di traspirazione l'umidità all'interno della foglia deve essere per forza maggiore rispetto all'esterno della foglia in modo tale che l'acqua presente nel volume d'aria all'interno della foglia eserciti una pressione parziale superiore a quella che esercita nell’aria all'esterno della foglia. La pressione parziale, cioè la pressione che l’acqua esercita all’interno dell’aria in cui è disciolta, è legata alla quantità d'acqua e alla possibilità dell’aria di ospitarla. La quantità di acqua varia con la temperatura, all'aumentare della temperatura, la quantità di acqua varia da 0 a 70 in un range di 0 - 40 °C. Pressione parziale si indica con e.

Traspirazione = flusso = ΔΨ/r E = Δe / r Δe = differenza di pressione parziale dell’acqua nell’aria

Conduttanza stomatica

È il reciproco della resistenza stomatica. È il grado di apertura degli stomi. Regola la trasmissione insieme al VPD (e - e_LEAF - e_AIR).

La differenza fra la pressione parziale dell'acqua all'interno della foglia e la pressione parziale dell’acqua nell’aria all'esterno della foglia (e_LEAF - e_AIR) viene chiamato deficit di pressione di vapore (VPD) che si misura in millibar. La traspirazione, quindi, è determinata dal VPD ed è regolata dalla conduttanza stomatica (g). La conduttanza stomatica è quel parametro che varia da un minimo di 0 a un massimo di 500 mmol H₂O m^-2 s^-1 che regola il flusso traspirativo della pianta. E = g * VPD g = 0 quando gli stomi sono chiusi (fondamentalmente durante la notte). Se g = 0 la traspirazione non c'è. La conduttanza stomatica varia in funzione a vari parametri, ma quello più importante oltre alla luce è lo stress idrico. Quando il potenziale idrico è elevato, g è elevato. Quando il potenziale idrico decresce, g diminuisce.

Movimenti degli stomi

Quando la pianta chiude gli stomi ha un vantaggio fondamentale cioè la sua sopravvivenza, ma allo stesso tempo ha lo svantaggio che non è permesso il flusso di acqua e quindi il trasporto di nutrienti e l’assorbimento di sostanze nutritive dal suolo. Gli stomi quando sono aperti sono la via d’uscita dell'acqua ma anche le vie che permettono l'ingresso dell’anidride carbonica. Le piante possono assumere CO₂ solo se hanno gli stomi aperti.

Gli stomi si trovano principalmente nella pagina inferiore delle foglie per minimizzare le perdite di acqua. Alcune piante hanno gli stomi sia sopra che sotto e queste traspirano di più. Gli stomi costituiscono circa l’1% della superficie fogliare. Gli stomi possono essere aperti o chiusi in funzione del turgore delle cellule di guardia. Le cellule di guardia sono cellule dell'epidermide ma che hanno una modificazione, cioè delle aree di rinforzo della parete cellulare fatte in modo che al variare del turgore, le cellule di guardia non cambiano volume ma cambiano forma (sclerenchima) ed hanno una forma più allungata.

Per poter aprire gli stomi le cellule di guardia si inarcano, diventando reniformi permettendo così la fuoriuscita di acqua e l'ingresso di CO₂. Ciò avviene a causa di una differenza di pressione dovuta al metabolismo del potassio. Il potassio non entra spontaneamente nella cellula di guardia, la sua intrusione avviene in forma attiva. La CO₂ entra spontaneamente.

L'attivazione energetica delle cellule vegetali avviene tramite due processi che sono di tipo elettrochimico che partono dall’utilizzo di sostanze chimiche prodotte direttamente dalla pianta stessa. Queste molecole chimiche sono l’ATP che con la perdita di un fosfato cede energia ed il NAD, cioè una variazione della carica elettrica grazie all'attività dell’H⁺-ATPasi, chiamata anche pompa protonica.

H⁺-ATPasi è la proteina grazie alla quale le membrane cellulari riescono a estrudere protoni dalla membrana utilizzando l’idrolisi dell’ATP. Il processo di attivazione è legato a una polarizzazione della membrana. Il potassio compartimentato sotto forma di malato di potassio nel vacuolo, fa sì che aumenti il tenore osmotico (più soluto c'è e maggiore è il richiamo verso di esso di acqua) per far aprire gli stomi, quindi, serve uno stimolo legato alla disponibilità di acqua e di luce, serve potassio extracellulare e fotosintesi. Senza la fotosintesi la regolazione stomatica non può avvenire mentre la fotosintesi può avvenire senza apertura stomatica fino a quando c'è il carbonio all'interno poi man mano che sta per terminare gli stomi si aprono.

Fattori ambientali che condizionano la regolazione stomatica: luce, CO₂

• Luce: È un regolatore positivo per la maggioranza delle piante perché gli stomi sono aperti per le piante a metabolismo C₃ e C₄. Per le che piante CAM la luce è un regolatore negativo, gli stomi si chiudono. Sono due le regioni dello spettro del visibile che sono attive per quella che è l'apertura stomatica: luce rossa e luce blu. La luce rossa ha un basso valore energetico con una lunghezza d'onda lunga. La luce blu ha un elevato valore energetico ed una lunghezza d'onda corta nello spettro visibile. Le due luci agiscono fra loro in modo indipendente e sono entrambe captate durante il giorno. Nelle piante esistono dei sensori chiamati fotorecettori, costituiti da pigmenti. Il fotorecettore della luce rossa è la clorofilla che attiva la fotosintesi e quindi l'apertura degli stomi e la produzione di ATP. Il fotorecettore della luce blu è il flavinico che capta la luce a una lunghezza d'onda bassa. Ha un significato ecologico fondamentale perché utilizzando la luce blu è sufficiente una quantità minima di luce per attivare l'apertura stomatica (la luce blu è ad alta energia rispetto alla luce rossa).
• Quantità di CO₂ presente nelle camere sottostomatiche: Quando la concentrazione di CO₂ aumenta all'interno della camera sottostomatica gli stomi si chiudono. A questo punto la fotosintesi continua perché vi è un buon rifornimento di CO₂ man mano che la si consuma la sua concentrazione all'interno della camera sottostomatica si abbassa determinando la riapertura degli stomi e l'ingresso di nuova CO₂. Questo processo si chiama regolazione fisiologica dell'apertura somatica ad opera della CO₂.
• Disponibilità di acqua: A livello fogliare esiste un meccanismo idropassivo che si sviluppa in condizioni di emergenza, cioè quando la disponibilità di acqua è bassissima e fa sì che gli stomi si chiudano. Normalmente avviene il meccanismo di azione dell’ABA (Acido absiscico) mediato dal calcio (Ca⁺⁺). Sempre quando c'è poca acqua questo meccanismo causa l’inibizione della pompa protonica nel plasmalemma in parallelo con l’inibizione dei canali di potassio verso la cellula e un’attivazione dei canali di potassio uscenti. In generale l’ABA porta alla chiusura stomatica. In generale tutti i suoli sono ricchi di Ca, la linfa xilematica è ricca di Ca e quindi della presenza o assenza di calcio il metabolismo cellulare viene influenzato. La concentrazione del calcio nelle cellule di guardia è minima a livello cellulare, ma a seguito di un segnale cioè dell’ABA, la concentrazione di Ca in scale temporali minime aumenta. Il segnale di ABA che arriva alle cellule di guardia attiva l'intrusione del calcio nella cellula. Il calcio presente a livello apoplastico entra nel simplasto e quello presente a livello vacuolare viene estruso dal vacuolo aumentando la concentrazione di Ca. Questa concentrazione di calcio è il modo che ha la cellula per chiudere gli stomi. Il calcio inibisce anche le acquaporine ed amplifica il segnale di ABA. L’ABA viene prodotto sia dalle cellule delle radici, che per via xilematica arriva nelle nervature fogliari, sia delle cellule delle foglie. Il segnale di ABA che arriva alle cellule di guardia, deve essere un segnale che sia percepito a livello cellulare e quindi legarsi al recettore sotto forma ionica.

ABA + H ↔ ABAH

Il succo xilematico che porta l'acido abscissico è già un succo a pH basico, con pochi protoni.

Regolazione stomatica idropassiva e idroattiva

In condizioni estreme di stress idrico prima della morte della pianta le cellule si disidratano. Prima che la pianta appassisca completamente si attiva il fenomeno idropassivo: le cellule di guardia perdono acqua e passano da 3/3.5 MPa a 0.7/0.7 MPa, si afflosciano e si chiudono, limitando la perdita d'acqua. Si tratta di un meccanismo di emergenza della pianta che cerca di trattenere quanta più acqua possibile anche se questo meccanismo non blocca la traspirazione dell'acqua attraverso la cuticola. Si tratta quindi di un meccanismo di difesa tampone.