Biotecnologie delle specie erbacee - Appunti

STRESS ABIOTICI

sale, metalli pesanti, mancanza ossigeno etc. ogni pianta ha una sua particolare

suscettibilità a uno di questi stress, al biotecnlogo interessa produrre piante tolleranti a

questi stress cioè che siano in grado di produrre anche in presenza della condizione

stressante infatti le piante hanno anche un altro paio di meccanismi per resistere allo

stress., ma non cui interessano perchè sono meccanismi che non ci consentono di

produrre comunque anche in presenza dello stress, questi altri 2 meccanismi alternativi

sono la cosiddetta escape e la cosiddetta vuaians, escape vuol dire che la pianta fugge

dalla condizione stressante cioè per es. una pianta chiude un ciclo biologico prima

dell'evento stressante, appena si accorge ad es. che sta arrivando la siccità quindi fa molti

fiori in fretta, porta questi a maturazione arrivando prima della condizione stressante però

in questo caso la pianta produca meno, l'altra modalità delle piante di sfuggire allo stress è

l'attività voians cioè mette in atto meccanismi che consentano di isolare la condizione

stressante caso tipico c'è la siccità la pianta chiude gli stomi, quindi perde meno acqua,

però se chiude gli stomi non fa fotosintesi però non produce perchè se non fotosintetizza

non fa biomassa quindi non ci interessano queste 2 condizioni perchè produce meno; ci

interessa la tolleranza vera e propria, ci sono alcune cose che accomunano la risposta

molecolare delle sia a stress biotici che abiotici, altre cose da dire è che sono molte cose

che accomunano la risposta a diversi stress abiotici cioè la riisèposta a stress abiotico da

freddo, da sale o da siccità, possiamo tracciare un quadro sintetico dalla risposta agli

stress abiotici che ricalca in qualche modo la risposta agli stress biotici; questa risposta

molecolare quale è? Usiamo livelli comparabili ai 3 livelli degli stress biotici, il primo livello

della percezione di stress, la cosiddetta percezione del segnale, molti geni di risposta a

stress biotici erano noti a questo livello, geni erre sono geni di percezione del segnale in

presenza di patogeno, in questo caso abbiamo dei punti interrogativi, la fase iniziale di

percezione dello stress abiotico non è ben nota si pensa che siano geni che si modificano

al cambio di temnperatura e quindi si attivano in qualche modo e che siano localizzati sulle

membrane cellulari, un'altra cosa che accomuna i 2 tipi di stress è l'aumento di calcio

intracellulare come avveniva dopo la percezione del patogeno, dopo la percezione la

cellula ha necessità di trasdurre segnale al nucleo e di farlo arrivare ad altre cellule vicine

o anche tessuti abbiamo i cisiddetti secondi messaggeri come ad es. aba che è un

importante secondo messaggero della treduzione del segnale, quindi viene sitetizzato aba

che induce una serie di altri geni pochi di questi noti, un meccanismo simile a quello degli

stress biotici è quello dell'attivazione di proteine chinasi che erano tra i geni responsabili

delle traduzione del segnale nei stress biotici, di diverso hanno che c'è un ruolo importante

delle specie reattive dell'ossigeno che invece è molto importante nel caso degli stress

biotici; poi abbiamo una serie di geni che sembrano molto importanti per la tolleranza vera

e propria che sono i fattori di trascrizione, questi geni vengono indotti a produrre fattori di

trascizione, proteine che si legano ad dna e che attivano i cosiddetti cis elementi, attivano

elementi del promotore di geni di risposta allo stress che sono comperabili a geni di difesa,

sono regolatori di una serie di geni di difesa, sono geni chiave perchè una volta indotti

questi la cellula sa che è in una condizione stressata e attiva una serie di geni, in questo

livello molti di quersti geni sono noti, poi abbiamo una batteria di geni che corrispondono a

quelli di difesa che sono quelli effettori, protettivi delle membrane della cellula, alla fine un

a volta che una pianta ha messo in moto questi meccanismi è in gradi di tollerare li stress;

i motivi per cui alcuni stress sono parzialmente comparabili: se noi prendiamo stress da

sale abbiamo una tossicità diretta del sodio, la pianta usa per osmoregolarsi il potassio e

non il sodio, e poi abbiamo una carenza di altri nutrienti cioè il sodio entra in competizione

con altri nutrienti per cui la pianta ha fame, poi vi è un terzo elemento che è comune ad

altri streess che è lo stress osmotico, per la pianta vivere in un vaso o in un terreno

predesertico o desertico salino causa anche uno stress osmotico, la pianta anche in

condizioni di relativa abbondanza di acqua non riesce ad estrarre acqua dal terreno

perchè c'è un eccesso di sodio e si crea un danno osmotico.

Alla fine gli effetti dell'eccesso di sodio sono: inibizione della fotosintesi, danni a

membrane cellulari e produzioni di specie reattive dell'ossigeno, se andiamo a vedere lo

stress da freddo con temperature sotto allo zero vediamo che abbiamo una catena di

eventi successivi: quando la pianta è soggetta al congelamento inizia a congelare l'acqua

che sta negli spazi tra cellule perchè ha una minore concentrazione di soluti rispetto al

citosol per cui ghiaccia prima, il punto di congelamento dell'acqua citosol è molto

abbassato rispetto l'acqua extracellulare per cui inizia a ghiacciare e l'assenza di acqua

liquida tra le cellule abbassa il potenziale dell'acqua esterno alla cellula e richiama acqua

dall'interno, quindi l'acqua comincia ad uscire dalle cellule verso l'esterno perchè non c'è

più acqua ed è diventata ghiaccio e perchè il potenziale dell'acqua come ghiaccio è

minore di quello dell'acqua in fase liquida per cui abbiamo un calo improvviso del

potenziale idrico all'esterno della cellula e questo richiama l'acqua e alla fine abbiamo uno

svuotamento del citosol e quindi una plasmolisi, di fatto uno stress osmotico, quando

abbiamo un ritornio alle condizioni di temperatura normale abbiamo anche un effetto

diretto di cristalli di ghiaccio che rompono le membrane; siccità e abbassamento di

tempertatura hanno molto in comune e a livello della cellula abbiamo distruzione delle

membrane, perdita di turgore, denaturazione delle proteine non sono idratate per esempio,

danno osmotico etc.. Le membrane hanno un ruolo importante nella risposta di stress

abiotici perchè possono andare soggette a lisi o transazioni di fase della cosiddetta fase

esagonale 2 cioè quando la membrana diventa assolutamente mancante di idratazione

passa da uno stato semifluido e uno stato più rigido e addirittura a uno stato esagonale,

questo significa che anche le membrane fotosintetiche vanno distrutte in ccondizione di

stress; nella fase liquida cristallina la membrana è attiva, quando poi si abbassa la

temparatura viene a mancara l'acqua i fosfolipidi hanno una minore energia cinetica e

abbiamo una fase di gel una fase molto più ordinata, la fase liquida cristallina è più

disordinata, nella fase esagonale 2 la membrana è disorganizzata perchè le teste nere

idrofile del doppio strato tendono ad avvicinarsi sempre di più creando delle concavità e

nella fase ultima tende a chiudersi (fase esagonale 2), poi dipende anche dall'idratazione

della membrana e dalla temperatura, con temperature elevate e idratazione bassa

abbiamo la fase di gel o la fase esagonale; secondo messaggero aba è comune a diversi

tipi di stress come stress da sale, siccità e freddo cioè se noi somministriamo aba esogeno

abbiamo un aumento della tolleranza, questo non è sempre vero, i mutanti che mancano

di aba hanno una alterata risposta degli stress abiotici, però non è l'unico secondo

messaggero in alcuni mutanti è stato visto che molti geni indotti da freddo sono indotti

anche in assenza di aba significa che la traduzione del segnale non per tutti i pattui di

risposta è necessaria la presenza di aba.

Arriviamo a una serie di geni noti perchè questi potrebbero esere usati per produrre dei

transgenici, i sensori: solo un probabile sensore è stato clonato in arabitopsis e si chiama

athk1 ed è un'istidina chinasi, omologa al sensore sln1 che è un senrore di lievito che si

accorge del cambio di pressione osmotica all'esterno della cellula di lievito e attiva una

serie di risposte che tendono ad aumentare degli osmoliti all'interno di una cellula di lievito;

usando dei primer degenerati per l'sln1 è stato clonato athk1 una istidina chinasi che è il

primo sensore di stress clonato nelle piante, uno potrebbe produrre piante che sono

particolarmente efficaci nel sentire stress in maniera precoce rispetto ad altre piante che

sono in grado di tollerare; poi altre categorie di geni sono quelli della trasduzione del

segnale hanno alcune famiglie di geni che sono essenziali per l'attivazione di geni che

sono essenziali per l'attivazione della risposta e sono chinasi, la più grande famiglia

conosciuta indotta da stress abiotici sono le MAP chinasi, interessanti anche le calcium

dependent protein chinasi che sono una famiglia di chinasi uniche delle piante, quando è

stata fatta la sequenza del genoma di arabidopsis è stato visto quali erano le classi di

famiglie geniche presenti in arabidospis rispotto a lievito o altri eucarioti completamente

sequenziate si è visto che le piante hanno molte più chinasi, questo non è totalmente noto

perchè le piante usano di più questo tipo di regolazione che è dovuto alla azione delle

chinasi che fosforilano altre proteine e in questo modo le attivano in presenza di uno

stimolo ambientale o metabolico, se attivassimo delle chinasi renderemmo la pianta molto

sensibile e una risposta più rapida e sistemica; le fosfatasi dovrebbero essere importanti

nella trasduzione del segnale, agiscono un pò insieme alle chinasi, sono meno importanti

di fatto defosforilano le proteine e quindi sono regolatori negetivi della regolazione,

abbiamo chinasi che attivano una serie di proteine e fosfatasi che le disattivano,

l'inibizione delle fosfatasi dovrebbe deregolazione del sistema, ne sono state individuate

diverse dp2a, pdp1 sono le più note nelle piante e anche queste potrebbero essere usate

per indurre tolleranza degli stress abiotici. Un quadro riassuntivo: 2 grosso gruppi di geni

clonati coinvolti nella trasduzione del segnale degli stress abiotici, clonate in piante

erbacee importanti e soino indotte da diversi tipi di stress, per es. la kdf 2 è indotta sia in

condizione di caldo, di sale cghe di stress osmotico e da freddo; oppure la pmekk1 è

indotta da siccità, sale a aba; le fosfatasi abbiamo detto la ptp1 e la pt2c di arabidispis

taliana