Appunti / Riassunto di Fisiologia Vegetale

Programma di fisiologia vegetale

Fondamenti di bioenergetica

Basi termodinamiche e cinetiche della conversione biologica dell'energia radiante e dell'energia chimica. Potenziali chimici ed elettrochimici nelle principali reazioni biologiche e nel trasporto dei soluti.

Le piante e l'acqua

Componenti del potenziale idrico nella cellula, nel suolo, nell'aria; flussi di acqua nella cellula e crescita per distensione; circolazione dell'acqua nella pianta; traspirazione.

Fotosintesi

Antenne fotosintetiche, fotosistemi, trasporto di elettroni, evoluzione di ossigeno, sintesi di ATP. L'assimilazione della CO2; ciclo di Calvin, fotorespirazione, sintesi di saccarosio e di amido. Piante C4 e CAM. Dipendenza dell'assimilazione della CO2 da luce, pCO2, temperatura e stato idrico.

Respirazione mitocondriale nelle cellule vegetali

Regolazione metabolica del ciclo del carbonio.

Assunzione e trasporto dei soluti

Principali meccanismi di trasporto attraverso le membrane nelle cellule vegetali; pompe protoniche e gradiente elettrochimico dei protoni; meccanismi di trasporto dei principali ioni minerali e metabolici. Flussi xilematici e floematici.

Assunzione, riduzione ed organicazione del nitrato e dell'ammonio

Processi fisiologici nel differenziamento e nello sviluppo.

Ormoni vegetali

Struttura, trasporto ed azioni fisiologiche. Ruolo degli ormoni nel differenziamento.

Fotomorfogenesi

Citocromo e recettori della luce blu.

Fisiologia vegetale

Le piante e l'acqua

L'acqua è un solvente in cui avvengono le reazioni biochimiche; è incomprimibile e garantisce il supporto alla pianta (turgore cellulare); è adatta a termoregolare grazie al suo alto calore di vaporizzazione e alla sua alta capacità termica.

Nelle piante, circa il 5% dell'acqua assorbita rimane nelle cellule, mentre il 95% traspira attraverso gli stomi. La pianta traspira per assorbire CO2 per la fotosintesi. La percentuale di ossigeno nell'aria è di circa 20.9%, mentre quella di CO2 è di circa lo 0,04%, anche se è in continua crescita.

Per le piante, l'aumento della CO2 nell'atmosfera potrebbe essere un vantaggio in quanto aumenta la produttività delle piante; alcuni modelli matematici hanno ipotizzato che con l'aumento di CO2 le piante tendano a chiudere gli stomi in quanto l'afflusso di CO2 è più facilitato, diminuendo però la traspirazione, con conseguente diminuzione delle piogge e aumento delle zone desertiche.

La pianta traspira anche per regolare la temperatura delle foglie. L'acqua ha infatti un alto calore di evaporazione, che raffredda i corpi. Le reazioni enzimatiche delle foglie hanno un'ottimizzazione del funzionamento intorno ai 25°C ed è quindi necessario mantenere la temperatura il più costante possibile per non danneggiare le funzionalità della pianta stessa.

Per dimostrare la relazione tra traspirazione e temperatura della pianta, è possibile svolgere un esperimento infrarosso mediante una pianta mutante della specie Arabidopsis: vengono paragonate due piante, una di controllo wild-type che non contiene mutazioni, l'altra che contiene una mutazione del gene atabcg22. Il gene atabcg22 è conosciuto per l'importanza nell'apertura degli stomi: la pianta mutante ha un difetto di regolazione dell'apertura degli stomi, in particolare non riesce a chiuderli. Le due piante sono sottoposte a stress idrico: la prima reagisce chiudendo gli stomi; la seconda, essendo impossibilitata, no. La prima pianta aumenta quindi la sua temperatura, la seconda rimane a temperatura più bassa.

La pianta traspira per trasportare nutrienti dalle radici alle foglie. Le piante traggono nutrienti dal terreno e vengono distribuiti attraverso una rete acquosa. Il continuo efflusso mediante traspirazione permette la creazione di una corrente continua di acqua in salita dalle radici alle foglie, che permette il trasporto dei nutrienti disciolti.

La regolazione dell'apertura stomatica regola la quantità di CO2, la temperatura e il trasporto di acqua e sali. È necessaria quindi una regolazione in quanto, se fossero sempre aperti, andrebbe incontro a una perdita di acqua eccessiva, così come se li tenesse sempre chiusi non potrebbe regolare la temperatura e la quantità di CO2. La cellula stomatica è una cellula particolare che deve percepire segnali di allerta e convertirli nell'azione di aprire o chiudere lo stoma.

Uno degli organismi modello della biologia vegetale è Arabidopsis thaliana. Può essere considerata un organismo modello per i laboratori grazie ad una serie di caratteristiche: la taglia contenuta (fino a circa 15 cm), ciclo vitale breve (da seme a seme intercorrono 45 giorni), genoma di dimensioni contenute (contiene solo 5 cromosomi).

Principi biofisici del trasporto dell'acqua

L'acqua si muove dal basso verso l'alto contro la forza di gravità ma senza l'utilizzo di pompe o utilizzi di energia (e.g., nei vertebrati esiste la pompa del cuore): il trasferimento è un fenomeno passivo.

Il flusso dell'acqua può essere descritto come la forza che spinge e la resistenza (che nel caso delle piante è costituito principalmente dall'apertura degli stomi e in minima parte da attriti dovuto al flusso nei vasi). Si può fare un paragone con il flusso di elettroni in un cavo elettrico (I=V/R).

Cosa spinge il passaggio dell'acqua da una posizione all'altra?

Per permette il passaggio da uno stato A ad uno stato B (e.g., esterno/interno di una cellula; ma anche passaggio dalle radici alle foglie) esiste una forza che porta il moto ad essere in questa direzione e non nella direzione opposta (che potrebbe avvenire in assenza della driving force).

Fisiologia vegetale

Il criterio per definire in che direzione avverrà lo spostamento è quello di definire il potenziale chimico della sostanza in questione.

Potenziale chimico μ: esprime in termini quantitativi il concetto dell'energia libera (μ = pot. chimico acqua) μ_wA μ_wB = potenziale in A; μ_B = potenziale in B; il movimento avverrà nel verso che porta ad una diminuzione del potenziale chimico, a cui consegue un rilascio di energia libera. Il potenziale chimico è il modo termodinamico per descrivere l'energia libera associata alla sostanza, ovvero l'energia disponibile a compiere un lavoro (Gibbs free energy); si esprime in J/mole.

Se A’>B’ l’acqua si muove da A verso B; se B’>A’ l’acqua si muove da A verso B solo viene aggiunta energia al sistema; se A’=B’ l’acqua non ha un flusso netto in nessuno dei due sensi, ogni movimento in una direzione viene compensato dalla stessa quantità in senso opposto. (con A’ e B’ si intendono i potenziali)

In fisiologia vegetale, per ragioni storiche, si indica il potenziale d'acqua come Ψ_w. Si ottiene dividendo il potenziale chimico μ (riferito ad un potenziale di riferimento *μ_w; acqua sottoposta a pressione atmosferica, temperatura standard, ecc.) per il volume molale parziale dell'acqua) −Ψ_w. Viene espresso in Mega Pascal.

Quantifichiamo il potenziale dell'acqua in A e B per verificare in che direzione si muove

Il potenziale dell'acqua ha tre componenti: (s: osmotico o di soluti; p: pressione; g: gravimetrico; si riferiscono a forza che agiscono sull'acqua in posizione A e B)

• Potenziale osmotico o di soluti: Sciogliendo dei soluti nell'acqua, la sua concentrazione diminuisce. Ψ_s = -RTC Equazione di Van't Hoff con − ad indicare che i soluti diminuiscono il potenziale d'acqua della soluzione, R costante dei gas, T temperatura assoluta, C concentrazione dei soluti in mol/L. Il potenziale dovuto alla concentrazione non viene valutato direttamente con la concentrazione d'acqua ma valutando l'effetto negativo della dissoluzione in acqua dei soluti: questo avviene perché la concentrazione dell'acqua è molto elevata (acqua distillata è concentrata a 55,5 mol/L) e quindi le piccole variazioni di concentrazioni dovute all'aggiunta di soluti molto diluiti sarebbero difficili da valutare.
• Es. 1) Calcolare il potenziale d'acqua di una soluzione di saccarosio 0,1M a 20°C Ψ_s = -RTC = -(8.3*10^-3 L MPa mol^-1 K^-1)(293K)(0.1 mol L^-1) = -0.244 MPa
• Es. 2) Calcolare il potenziale d'acqua di una soluzione di NaCl 0.1M a 20°C. !!Osmolarità del sale è doppia!! Ψ_s = -RTC = -(8.3*10^-3 L MPa mol^-1 K^-1)(293K)(0.2 mol L^-1) = -0.488 MPa

In una cellula vegetale, Ψ_s va da 0.7 a 1.2 MPa; la concentrazione di soluti in una cellula vegetale è quindi molto elevata e va da circa 0.3 a 0.5 M.

• Potenziale di pressione: Si misura per deviazione dalla pressione ambientale. Le cellule vegetali hanno un potenziale di pressione positivo (detto turgore) che dipende dalla presenza della parete cellulare rigida. Il valore di Ψ_p in una cellula vegetale varia da 0.3 a 0.8 MPa. In una pianta si possono anche registrare dei potenziali negativi però non all'interno delle cellule. Sono due casi: nello xilema, ovvero nei vasi che conducono dalle radici alle foglie (da -0.2 a -0.8 MPa); l'altro caso è nelle pareti che circondano le cellule.
• Potenziale gravimetrico: Dipende dalla posizione del punto considerato rispetto al potenziale di riferimento al livello del mare. Ψ_g = ρgh con ρ densità dell'acqua, g accelerazione di gravità, h altezza. In genere questo valore è molto piccolo ed è quindi trascurabile; viene incluso solo nel caso in cui il trasporto dell'acqua avviene in piante di altezza maggiore ai 10 m.

Modalità di trasporto dell'acqua

L'acqua si muove seguendo un gradiente di potenziale idrico, sia a livello cellulare che a livello della pianta stessa. L'acqua si muove dal suolo all'atmosfera seguendo un gradiente di potenziale idrico decrescente. A livello delle radici è circa 0 MPa; nello xilema è di circa -0.5 MPa; nelle foglie di circa -0.8 MPa; nell'aria raggiunge valori bassissimi di circa -30 MPa.

Modalità di trasporto dell'acqua

• Diffusione: Per coprire piccole distanze, 10-50 μm.
• Flusso di massa: Distanze grandi, dal cm al metro; salire nei tronchi attraverso lo xilema.
• Osmosi: Attraverso le membrane cellulari.

Diffusione

Modalità di trasporto molto importante in caso di distanze molto piccole. Esempio: A livello interno alla cellula come i movimenti del saccarosio dal cloroplasti verso le riserve degli amiloplasti.

Un altro esempio di diffusione è la traspirazione: l'acqua esce attraverso gli stomi sotto forma di molecole di vapore acqueo; l'acqua evapora nelle camere sottostomatiche, raggiungono alte concentrazioni e, nel momento in cui gli stomi si aprono, esce per diffusione.

Se prendiamo un contenitore in cui ad un tempo t₀ sono presenti due soluti con concentrazioni molto diverse in due porzioni separate del liquido, notiamo come i due soluti tendano a diffondere in tutto il liquido fino ad essere presenti in tutto il contenitore con la stessa concentrazione. Questo movimento è dovuto ad un fenomeno statistico di casualità degli scontri e dei movimenti delle molecole: è più probabile che una molecola si sposti da una zona a concentrazione maggiore a una minore che non viceversa (si sposta da una zona in cui si scontra più frequentemente con altre molecole a una in cui gli scontri sono meno frequenti).

La legge che descrive il fenomeno della diffusione in termini di driving force, ovvero la forza che la origina, è la prima legge di Flick: il flusso è proporzionale al gradiente di concentrazione con costante D.

ΔJ = −D ΔC

La costante D dipende dalle caratteristiche del mezzo e dalle dimensioni della molecola che diffonde. Il segno meno indica che la direzione è quella di diminuzione della concentrazione. Il flusso viene valutato in mol m^-2 s^-1.

La prima legge di Flick stabilisce una relazione lineare tra gradiente di concentrazione e flusso: stabilisce l'entità del flusso.

La seconda legge di Flick permette di calcolare il tempo necessario ad una sostanza per diffondere su una distanza x. Il tempo necessario per diffondere dipende dal quadrato della distanza.

I tempi di diffusione saranno estremamente brevi per distanze brevi, lunghi per distanze maggiori: è il motivo per cui la diffusione è rilevante a livello biologico solo per distanze molto brevi; i tempi per la diffusione a lunga distanza non sono compatibili con la vita.

Es. 1 Sia D =10^-9 m² s^-1 il coefficiente di diffusione in acqua. Quanto tempo impiegherà una molecola di glucosio a diffondere per 50 μm (dimensione di una cellula vegetale)?

T= (50*10^-6 m)²/(2*10^-9 m² s^-1)= 1,25 s

Se la distanza fosse 1 mm il tempo sarebbe 10 min; per 1 cm, 14 ore; per 1 m, 16 ore.

Il movimento dell'acqua attraverso gli stomi è una perdita secondaria per la pianta: la funzione più importante degli stomi è quella di immagazzinare CO2 nella camera stomatica.

È importante, quindi, studiare i movimenti di diffusione dell'acqua e dell'anidride carbonica dalla camera stomatica all'aria e viceversa attraverso gli stomi. Il coefficiente di diffusione in aria è 10⁴ più grande di quello di un liquido. Il tempo di diffusione di acqua dalla camera stomatica all'aria è di 0,12 ms (x=0,50 μm).

La molecola di CO2 è leggermente più grande di quella dell'acqua: il coefficiente D quindi varia leggermente rispetto a quello dell'acqua (no varia solo in base al mezzo ma anche alla molecola che diffonde) ed è 0.16*10^-4. Il tempo per diffondere la CO2 attraverso lo stoma è 0.78 ms.

È circa 6 volte più alto di quello dell'acqua: ogni volta che la pianta apre lo stoma, la velocità con cui la pianta perde una molecola di acqua sarà 6 volte maggiore di quella con cui riesce ad acquisire una molecola di CO2; questo è un forte svantaggio per la pianta perché per acquisire una molecola di CO2 perderà sei molecole di acqua.

Flusso di massa

Flusso di un gruppo di molecole di acqua che si muovono in risposta ad un gradiente, in particolare un gradiente di pressione. È il flusso di acqua in un tubo: se consideriamo il potenziale idrico non bisogna considerare il potenziale di soluti Ψ_s in quanto, se ci fossero dei soluti, essi si muoverebbero insieme alle molecole di acqua.

Conta il potenziale di pressione Ψ_p e potrebbe essere importante il potenziale Ψ_g in quanto col flusso di massa solitamente studiamo la risalita di fluidi nel floema e, quindi, anche altezze considerevoli.

La legge che descrive il flusso di massa è la legge di Poiseuille: il flusso di un liquido in un tubo cilindrico (espresso in m³/s) è pari a: Q = πr⁴ (ΔΨ_p/Δx) / 8η, con r raggio del tubo, η viscosità del liquido (nel caso dell'acqua pari a 1), ΔΨ_p/Δx driving force (differenza di gradiente di pressione diviso distanza percorsa).

Osmosi

Movimento di acqua attraverso la membrana semipermeabile (permette il passaggio dell'acqua ma non dei soluti). Il passaggio di acqua per osmosi in una cellula avviene tutte le volte che l'acqua necessita di passare attraverso la membrana cellulare. La presenza di una parete cellulare nelle cellule vegetali porta alla formazione di una pressione interna alla cellula: la driving force per l'osmosi quindi dipende da Ψ_s e Ψ_p.

Es. 1. Cellula turgida (contiene al suo interno una pressione positiva): il potenziale idrico Ψ_w è pari a -0.244 MPa ed è costituito da Ψ_s=-0.732 (corrisponde circa ad una concentrazione interna di soluti di 300 mM) (si può ricavare Ψ_p=0.488 dalla differenza degli altri due).

La cellula viene posta in un becher contenente una soluzione 0.3M di saccarosio: il potenziale idrico della soluzione è -0.732 MPa; possiamo dedurre che il potenziale di soluti sia uguale a -0.732 MPa perché la soluzione è posta alla sola pressione atmosferica e quindi Ψ_p è pari a zero e trascuriamo Ψ_g.

Il potenziale idrico della cellula è superiore a quello della soluzione: l'acqua tenderà a fluire dalla cellula verso la soluzione esterna fino a portare i due potenziali ad essere uguali. Perdendo acqua all'interno della cellula, si perde la componente di pressione: all'equilibrio la cellula avrà potenziale pari a -0.732 MPa come l'ambiente, costituito solo dal potenziale di soluti Ψ_s.

Es. 2. La cellula che ha perso il proprio potenziale di pressione (Ψ_w=-0.732; Ψ_s=-0.732; Ψ_p=0) viene immersa in un becher che contiene una soluzione di saccarosio più diluita della precedente (0.1M); il potenziale di questa soluzione, calcolato con Van't Hoff, è pari a -0.244 MPa, tutto a carico del potenziale di soluti.

La cellula si trova ad un potenziale idrico inferiore e quindi l'acqua entrerà nella cellula seguendo una diminuzione del potenziale fino a portare i due potenziali idrici all'equilibrio: all'equilibrio la cellula avrà un potenziale idrico di -0.244 MPa costituito da Ψ_s pari a -0.732 MPa e da Ψ_p pari a 0.488 MPa; la variazione del potenziale idrico sarà tutta a carico di Ψ_s.