18) Lezione Acido Abscissico

Lezione 18. Acido abscissico

L'ABA: l'ormone degli stress

L'ABA è l'ormone degli stress, perché pare che sia attivato, soprattutto, negli stress sia di tipo biotici, che abiotici, anche se in quello di tipo biotico, l'ABA non ha una posizione di rilievo, come invece ce l’ha l'etilene e l'acido salicilico. Invece, l'ABA ha un ruolo estremamente importante per quanto riguarda gli stress di natura fisica, e soprattutto nello stress idrico.

Storia dell'ABA

ABA. Acido abscissico o Si stavano conducendo degli studi su alcune sostanze, che erano in grado di promuovere la dormienza delle gemme. Durante queste ricerche, è stata isolata una sostanza che sembrava essere coinvolta nella dormienza delle gemme, e questa sostanza è stata chiamata dormina.

Un altro gruppo di ricercatori, lavorava invece sul cotone, e soprattutto era interessata al composto che era in grado di promuovere l'abscissione del frutto di cotone, e durante questi studi fu purificata una sostanza, che fu chiamata abscissina II. Quando si è confrontata la struttura della dormina e dell'abscissina II, si è visto che si stava parlando dello stesso composto, e quindi a questo composto è stato dato il nome di acido abscissico o ABA.

Struttura dell'ABA

La struttura dell’ABA ricorda la porzione terminale di alcuni carotenoidi, ed è un composto a 15 atomi di carbonio. Esiste in natura sia nella forma cis, che nella forma trans, e si ha nell'enantiomero R/S. L'ABA però, in natura, si trova solo nella sua forma cis, quindi la forma attiva di acido abscissico è la forma cis, e l'enantiomero S è la forma naturale. Quindi, troviamo in natura, l'ABA che è nella sua conformazione cis e nell'enantiomero S, che pare essere soprattutto attivo nelle risposte veloci.

Biosintesi dell'ABA

L'ABA, l’abbiamo visto già quando abbiamo parlato delle gibberelline, delle citochinine, e dei brassinosteroidi, e si è visto che come le gibberelline, le citochinine, e brassinosteroidi, l'ABA viene sintetizzato a partire dall'isopentenil difosfato (IPP), nella via dei carotenoidi. Significa che si forma indirettamente, come prodotto di scissione di una molecola di carotenoidi, che è la violaxantina, una molecola a 40 atomi di carbonio.

La biosintesi dei carotenoidi l’abbiamo fatta quando abbiamo parlato della fotosintesi, parlando anche della violaxantina, di quanto sono importanti i carotenoidi, in quanto attivano dei meccanismi di protezione nelle cellule vegetali. La violaxantina è un carotenoide a 40 atomi di carbonio. Se l'ABA, che è un carotenoide, ricorda la porzione terminale di un carotenoide a 15 atomi di carbonio, molto probabilmente c'è stato un taglio, perché se da 40 si è arriva a 15, sulla struttura della violaxantina ci sarà semplicemente un taglio, che è nella porzione terminale, e quindi avremmo questa molecola a 15 atomi di carbonio.

Processo di biosintesi dell'ABA

La biosintesi avviene sia a livello dei cloroplasti, che da altri plastidi. Si parte dall'isopentenil difosfato (IPP) che è l'unità isoprenica di quasi tutti gli ormoni, perché abbiamo detto che, sia le gibberelline che le citochinine, partono da questa unità isoprenica, e adesso abbiamo visto anche l'ABA. Si arriva al farnesil difosfato che attraverso tutta una serie di enzimi, porta alla trans-violaxantina. Dalla trans-violaxatina si arriva alla formazione del neoxantina, e poi della xantossale, e qui è già avvenuta la scissione. Infatti si vede il sito di taglio (cleavage site), e questo taglio avviene sulla molecola del carotenoide, ed iniziamo ad avere il xantossale. Xantossale, grazie alla deidrogenasi/reduttasi, che è presente nel citosol, porta alla formazione dell'ABA-aldeide, che è il precursore dell'acido abscissico. Poi attraverso all'ABA aldeide ossidasi, abbiamo la biosintesi dell'ABA (acido abscissico).

Ricapitolando. Quindi partiamo dall'isopentenil difosfato (IPP) nella via dei carotenoidi, ed attraverso una serie di reazioni si arriva alla neoxantina, la quale subisce un taglio sulla sua molecola, e si arriva ad una struttura a 15 atomi di carbonio, che è il xantossale, e questo avviene grazie alla deidrogenasi/reduttasi, che è presente nel citosol. Dalla deidrogenasi/reduttasi abbiamo la formazione dell'ABA-aldeide. Successivamente grazie all'ABA-aldeide ossidasi, abbiamo la formazione dell'acido abscissico.

Degradazione dell'ABA

Sappiamo che tutti gli ormoni possono subire delle degradazioni, o delle inattivazioni. L'ABA viene degradato, quindi si attiva una degradazione, o un'inattivazione, sulla sua molecola, sia attraverso:

• Ossidazione, che porta alla formazione di acido faseico e dell’acido diidrofaseico.
• Coniugazione, in cui l'ABA può essere disattivato, se è coniugato con alcuni monosaccaridi, ad esempio il glucosio.

Quando il glucosio si lega all'ABA, attraverso la reazione di coniugazione, l'ABA smette di avere la propria attività ormonale. Quindi possiamo inattivare, e non degradare, l'acido abscissico, o attraverso l'ossidazione, o attraverso la coniugazione con uno zucchero.

Mutanti e ABA

I mutanti di mais, che sono i mutanti vp (vipi), hanno un blocco nella via dei carotenoidi, e proprio grazie a questi mutanti, si è capito quale fosse il precursore e la biosintesi dell'ABA, perché hanno quantità ridotte di ABA, e presentano il fenomeno della viviparia. Ma il fenomeno della viviparia si ha quando sulla cariosside di mais (e si vede bene sul mutante vp2), quindi sui semi che sono presenti nella cariosside, già inizia la germinazione, cioè sono presenti già delle piantine, ed inizia a spuntare la prima radichetta, con la formazione del primo germoglio.

Quindi, quando c'è questa formazione, quando c'è la presenza di viviparia nelle cariossidi di mais, il mais non produce ABA a sufficienza, e quindi hanno un blocco, in quanto si ha un blocco nella via dei carotenoidi, nella biosintesi dell'ABA, e quindi c'è una produzione di ABA inferiore, che porta a germinare i semi quando sono ancora presenti sulla cariosside, quindi non sono dispersi. Quindi hanno un blocco nella biosintesi dell’ABA. Nella viviparia, i semi germinano sul frutto quando sono attaccati alla pianta.

Trasporto dell'ABA

L'ABA può essere trasportato sia a livello del floema, che a livello dello xilema, quindi può essere prodotta sia nella parte alta, che soprattutto nella parte bassa, perché se è lo xilema che trasporta l'ABA, quindi può essere trasportato per via xilematica, questo ci fa capire che l'ABA può essere prodotto a livello radicale. Come può essere prodotto a livello radicale, può essere prodotto anche nella parte apicale della pianta, perché è il floema che lo può trasportare fino alle parti bassi della pianta.

Quindi l’ABA ha questo doppio trasporto, che può essere sia floematico che xilematico. Ma di solito, in condizioni normali, l'ABA è molto più abbondante nel succo floematico, rispetto a quello xilematico, perché è molto più prodotto dalla parte alta della pianta, piuttosto che a livello radicale. Quindi, spesso, alte concertazioni di ABA si trovano nel floema, e non nello xilema.

Perché quando l'ABA è trasportato nelle radici, è sintomo di stress, oppure ha un ruolo particolare quando viene trasportato a livello xilematico? Perché quando l'ABA viene trasportato a livello xilematico, capiamo che c'è un problema a livello radicale. Quindi tutte le volte che c'è un'alta concentrazione di ABA nello xilema, non stiamo parlando di condizioni fisiologiche, perché sappiamo che di solito l'ABA viene trasportato maggiormente grazie al floema. Quindi, quando ritroviamo delle alte concentrazioni a livello xilematico, questo ci fa capire che ci sono delle condizioni di stress nella pianta, perché viene trasportato a livello xilematico.

Quindi a livello radicale, molto probabilmente, ci sono problemi di stress, perché a quel punto per essere trasportato dallo xilema, significa che l'ABA viene prodotta a livello radicale. Le concentrazioni di ABA variano molto durante lo sviluppo, o in risposta agli stress. Come sappiamo l'ABA è l'ormone dello stress, in quanto è coinvolto in quasi tutte le risposte che attivano lo stress, ed ha poco a che fare con l’abscissione. L'ABA è stato identificato in studi di abscissione del frutto del cotone, ma l'acido abscissico ha poco a che fare con l'abscissione, perché sappiamo che soprattutto l'abscissione fogliare è una questione dell'etilene, l'ABA non ha questo ruolo così determinante nell'abscissione.

Effetti fisiologici dell'ABA

L'ABA ha un ruolo determinante nell'attivazione della risposta agli stress, nella maturazione dell'embrione, e nell'attivazione della dormienza nei semi, in quanto blocca l'azione delle gibberelline. Nei semi che si sviluppano, si è visto che l'ABA, in questi semi che attivano una maturazione, uno sviluppo, c'è una variazione nella concentrazione di ABA, di circa 100 volte. Le foglie che sono sotto azione da stress idrico, l'ABA in pochissime ore, aumenta di circa 50 volte, e si vede benissimo nel grafico. Quindi a livello delle foglie, non solo aumenta la concentrazione dell'ABA, ma aumenta anche la resistenza stomatica.

Perché aumenta nelle foglie, ABA? Aumenta perché viene aumentata la sua biosintesi a livello radicale. Che cos'è la resistenza stomatica? È la resistenza alla traspirazione. Vi ricordate quando abbiamo fatto il trasporto dell'acqua, ed abbiamo parlato delle foglie, vi ho detto che l'acqua nelle foglie si muove per diffusione, e l'acqua si muove dalle foglie all'atmosfera, per diffusione. La diffusione che cosa determina? Qual è la forza motrice? La forza motrice è il gradiente di concentrazione, e questo significa che c'è molto più vapore acqueo fuori, rispetto che all'interno delle foglie. Quindi, l'acqua lascia le foglie, ed entra a contatto con l'atmosfera.

Quando abbiamo parlato di traspirazione, di evaporazione, vi ho detto che c'è una differenza di concentrazione tra l'interno e l'esterno della foglia, ed il potenziale idrico della foglia non solo dipende dalla differenza di concentrazione di vapore acqueo tra interno ed esterno, ma dipende anche dalla rima stomatica, e dallo strato limite dell'aria. Infatti nelle giornate ventose la pianta traspira di più, perché il vento sposta lo strato limite.

Quindi durante lo stress, aumenta la concentrazione di ABA, di circa 50 volte nelle foglie, ma una condizione necessaria durante gli stress idrici, aumenta anche la resistenza stomatica, che è importantissima, perché in qualche modo blocca la traspirazione, altrimenti gli stomi sarebbero sempre aperti, anche lo strato limite, se non ci fosse, la pianta traspira di più, e quindi in qualche modo fanno resistere la pianta alla traspirazione.

L'ABA è importantissima durante la maturazione del seme, perché attiva:

• Sviluppo embrionale, che poi vengono utilizzate per la germinazione del seme, sotto azione delle gibberelline, le quali devono fare in modo che le sostanze di riserva devono essere idrolizzate, quindi si attiva la via di segnalazione delle gibberelline.
• Accumulate sostanze di riserva, cioè fare in modo che il seme entri in quiescenza, e che riesca a stare in questo stato di quiescenza anche per tantissimo tempo, e quindi è capace di non attivare nessun tipo di germinazione, se non ci sono le condizioni giuste affinché si possa attivare la germinazione.
• Tolleranza alla disidratazione.

Le piante attivano la germinazione per la propagazione della specie. Quindi le piante, se non hanno le condizioni favorevoli, non attivano la germinazione del seme, perché se mai dovessero attivare la germinazione del seme, e non ci sono le condizioni ideali per far sì che una pianta possa crescere, questo significa che vanno incontro alla morte, e non c’è la propagazione della specie. Quindi loro bloccano la germinazione se non ci sono le condizioni ideali per svilupparsi.

Effetti fisiologici dell'ABA a breve e lungo termine

L'ABA attiva un effetto fisiologico a breve termine, che è determinato dalla chiusura degli stomi. Come fa l'ABA ad attivare la chiusura degli stomi? L’ABA attiva la chiusura degli stomi alterando i flussi ionici. Inoltre l'ABA attiva anche un effetto fisiologico a lungo termine, e questo effetto fisiologico a lungo termine dell’ABA, è la maturazione dei semi, che avviene solo se c'è una regolazione dell'espressione genica.

Quindi l'ABA attiva due meccanismi:

• Meccanismo a breve termine, che è la chiusura degli stomi, dove non attiva una via di segnalazione, ma attiva questa via di segnalazione alterando i flussi ionici.
• Meccanismo a lungo termine, quando attiva un effetto a lungo termine, quale la maturazione del seme, e l'attivazione della dormienza del seme, l'ABA attiva un signaling, che coinvolge fattori di trascrizione, quindi che coinvolge risposte a livello nucleare.

Flussi ionici → Risposta a livello nucleare → Via di segnalazione

Dall'immagine si capisce bene che l'ABA durante lo stress idrico, chiude gli stomi, in risposta allo stress. Perché chiude gli stomi? Chiude gli stomi per ridurre la perdita d’acqua. Abbiamo detto che quando c'è lo stress idrico, c'è la possibilità che il potenziale idrico della pianta diventi più negativo rispetto al potenziale idrico del suolo. Semmai dovesse essere così, è il suolo che estrae acqua dalla pianta, perché l'acqua si muove sempre verso potenziali più negativi.

Quindi quando c'è stress idrico, significa che potenziali idrico della pianta, visto che dentro non c'è acqua, sia più negativo rispetto a quello del suolo, e quindi il suolo tenderebbe ad estrarre l'acqua dalla pianta. Sappiamo che ci sono delle condizioni che la pianta attiva, per fare in modo che il suo potenziale idrico non sia più negativo, ma soprattutto un segnale deve essere im