Botanica - Appunti parte 1

La sistematica: la scienza della diversità biologica

Capitolo 12

Linneo e la tassonomia

Linneo fu il primo a denominare le piante. Tassonomia: identificazione, denominazione, classificazione. Sistematica: studio della diversità biologica e della sua storia evolutiva. Esistono 10.000.000 di specie eucariotiche. Esemplare tipo: campione secco custodito in museo o erbario utilizzato come base per la comparazione. Le specie possono essere suddivise in sottospecie o varietà che sono simili tra loro ma che differiscono per una o più caratteristiche.

Agli inizi era:
SPECIE ---> GENERE ---> FAMIGLIE ---> ORDINI ---> CLASSI

De Candolle propose inoltre la divisione (gruppi di classi). Inoltre, nel XV congresso Internazionale di Botanica del 1993 si introdusse il Phylum al posto della divisione:

SPECIE ---> GENERE ---> FAMIGLIE ---> ORDINI ---> CLASSI ---> PHYLUM ---> REGNO

Il Taxon (Taxa al plurale) rappresenta il gruppo tassonomico a qualsiasi livello e la famiglia, genere o classe rappresentano le categorie, ad esempio, sono taxa Pinus.

Desinenze e classificazione

Dobbiamo guardare le desinenze per capire se è una famiglia o un ordine:

• Famiglia: -aceae (es. Asteraceae)
• Ordini: -ales (es. Poales)

Ecco degli esempi di classificazioni tassonomiche:

• Mais:
  Regno Plantae
  Phylum Anthophyta
  Classe Monocotyledoneae
  Ordine Poales
  Famiglia Poaceae
  Genere Zea
  Specie Zea mays
• Prezzemolo:
  Regno Plantae
  Phylum Anthophyta
  Classe Dicotiledoneae
  Ordine Apiales
  Famiglia Apiaceae
  Genere Petroselinum
  Specie Petroselinum hortense
• Rosmarino:
  Regno Plantae
  Phylum Anthophyta
  Classe Dicotiledoneae
  Ordine Lamiales
  Famiglia Lamiaceae
  Genere Rosmarinus
  Specie Rosmarinus officinalis

Storia della classificazione delle piante

Le piante vengono raggruppate sulla base dell'aspetto esterno in:

• Alberi
• Arbusti
• Erbe

Classificazione Artificiale: identifica gli organismi sulla base di uno o più caratteri. Teofrasto fu il padre della botanica e scrisse la Storia delle piante e Cause delle piante. Linneo classificò le piante in 24 classi sulla base delle caratteristiche sessuali: numero degli stami, ad esempio, Linneae borealis L. (L sta per Linneo).

Classificazione Naturale viene proposta da Darwin che propose un sistema naturale di classificazioni per cui somiglianze e differenze vengono viste come il prodotto di una storia evolutiva (filogenesi). La classificazione naturale ha come obiettivo l'individuazione del clade (raggruppamento monofiletico).

Esistono altri tipi di raggruppamenti:

• Parafiletico
• Polifiletico

Cladistica e filogenetica

Il metodo di classificazione più utilizzato oggi è la cladistica: cioè analisi filogenetica che cerca di capire le relazioni filogenetiche. Esso:

• Analizza se lo stato di un carattere è condiviso o derivato
• Individua le sinapomorfie: caratteri presenti nell'antenato comune e in tutti i gruppi discendenti

Per disegnare un albero filogenetico o cladogramma:

• Radicare l'albero (individuando un outgroup)
• Individuare il carattere ancestrale
• Individuare il carattere derivato
• La posizione relativa indica il tempo di divergenza

Sistematica molecolare

Essa si basa sulla sequenza dei nucleotidi del DNA. Può rilevare le differenze in geni omologhi (cioè quelle che derivano dallo stesso gene ancestrale). Queste differenze sono dovute a un accumulo di mutazioni neutre (quando non incidono sulla vita dell'organismo) e casuali secondo un tasso costante nel tempo. Tali differenze non sono il risultato della selezione e infatti esse sono accumulate da quando le linee evolutive si sono separate. Queste sequenze vengono depositate in banche dati internazionali. Es: GeneBank (progetto del NCBI a cui tutti fanno riferimento).

Un risultato di queste analisi può essere che piante morfologicamente lontane sono geneticamente vicine.

Genomi delle piante

I genomi delle piante sono 3:

• Genoma nucleare
• Genoma mitocondriale (circolare) 200-2500 kbp
• Genoma plastidiale (circolare) 135-160 kbp

Per gli animali il gene usato è cox1 (mitocondriale, che codifica per la citocromo ossidasi). Per le piante vengono usati i geni plastidiali rbcL (rubisco) e MatK.

Categorie tassonomiche e domini

Le categorie tassonomiche degli organismi per Linneo:

• Piante
• Animali
• Minerali

Oggi ci sono 3 domini (categoria superiore al regno):

• Bacteria --> procarioti
• Archaea --> procarioti
• Eukarya --> eucarioti

Esistono 7 supergruppi degli eucarioti:

• Piante e forme algali affini
• Opisthokonta
• Eucarioti primordiali non li teniamo conto perché provengono dall'antenato comune
• Alveolata
• Stramenopila
• Rhizaria
• Excavata
• Amoebozoa

I protisti si trovano in tutti i supergruppi e la maggior parte di essi contengono esclusivamente protisti:

• Eterotrofi
• Autotrofi
• Altri non trattati

Esperimento in classe

N.B. I pigmenti della pianta la proteggono dallo stress ossidativo e eccessiva illuminazione. I botanici misurano la concentrazione di ossigeno emessa dalla pianta così da selezionare quelle che lo producono maggiormente e utilizzarle quando servono. Se una foglia viene coperta e poi la si scopre, essa fa la respirazione.

A (f + r) (fotosintesi + respirazione) = Tasso di fotosintesi
A (r) = Respirazione (buio)
A (f) = A (f + r) - A (r) = 6.67 - (-2.37) = 9.04

La cellula vegetale e il ciclo cellulare

Capitolo 3

Scoperte cellulari

Nel 1670 Hooke introdusse il termine cellula. Nel 1838 Schleiden introdusse il concetto che tutti i tessuti vegetali sono costituiti da cellule. Nel 1840 Schwann disse che tutti i tessuti animali sono formati da cellule e che tutti gli organismi hanno un'organizzazione cellulare. Nel 1858 Virchow disse che le cellule possono originarsi solo da cellule preesistenti.

Nella cellula eucariotica fotosintetica abbiamo degli organelli come i cloroplasti deputati alla funzione fotosintetica. Attraverso esso la cellula diviene un organismo autotrofo ossia organizza da sola la fonte primaria di energia ossia si costruisce il glucosio attraverso l'energia luminosa attraverso la CO₂ presente nell'aria e acqua. Essi possono essere numerosi ma la maggior parte risiede nelle foglie e anche nei fusti a volte.

Nei cactus le foglie sono sotto forma di spine aventi funzione di protezione e il tronco è formato da molti cloroplasti. Sono formati da una doppia membrana, segno della sua origine cioè che provengono da procarioti inglobati nella cellula.

Abbiamo un vacuolo circondato da una singola membrana (tonoplasto) ed è caratteristica della cellula vegetale. È quello che si nota di più (occupa fino al 90% del lume cellulare) e il citoplasma è schiacciato in periferia. Esso ha la funzione di aumentare la pressione di turgore della cellula e la mantiene gonfia.

È presente la parete cellulare ed è fondamentale perché difende il protoplasto (solo nella vegetale). Dopo la parete incontriamo la membrana cellulare avente la funzione di selezionare ciò che esce e ciò che entra. Abbiamo i mitocondri, nucleo e i granuli di amido. Essi sono nei cloroplasti e sono uno dei sistemi per mettere in riserva il glucosio. Essi sono temporanei e devono essere usati subito poiché quando la cellula è alla luce si formano in un breve tempo mentre avviene la fotosintesi. Ma quando la cellula è al buio i granuli sono spariti. Vuol dire che essi servono nella vita della cellula nell'immediato. In altri tessuti invece i granuli di amido vengono accumulati (esempio nei semi come il riso).

Abbiamo i mitocondri importante per la respirazione della cellula. Sono molto diversi dai cloroplasti poiché i mitocondri sono molto più piccoli dei cloroplasti. Questo perché essi devono assorbire più luce possibile.

Nella foto notiamo che la cellula ha una lunghezza di 25-30 um circa. Nella foto (microscopio elettronico a trasmissione - 0.25um) abbiamo una parete cellulare condivisa da due cellule. Apparentemente sembra una struttura amorfa. Il numero dei cromosomi varia a seconda della specie.

Ricordiamo che nei vegetali la poliploidia è comune (negli animali è letale). Le briglie citoplasmatiche sono importanti nella divisione cellulare. I campi di punteggiature primarie con plasmodesmi sono una zona dove c'è comunicazione con l'esterno o altra cellula. Attraverso questi fori il citoplasma passa a un'altra cellula grazie ai plasmodesmi.

Plastidi

I cloroplasti reagiscono agli stimoli fisici (come la luce). Le macchie nere sono i cloroplasti. Quando la cellula è sottoposta a una debole intensità di luce essi sono lungo tutta la superficie della cellula. Quando è troppo intensa essi si dispongono lateralmente alla cellula. Essi infatti si muovono rispetto alle condizioni in cui si trovano.

Quando essi sono attivi presentano una clorofilla che ricopre gli altri pigmenti come i carotenoidi (arancio, rosso giallo) e le antocianine che servono a migliorare la cattura della luce. Quando la pianta va in necrosi (muore) o le condizioni ambientali non permettono di fare la fotosintesi le foglie diventano rosse o gialle. Esso significa che la clorofilla si è degradata facendo emergere gli altri pigmenti che prima erano coperti.

Es. Il leccio si sviluppa in ambienti miti (quercia) e l'alloro. Il primo non perde le foglie invece la rovere (altra quercia) sì. Le conifere per esempio si sviluppano in ambienti come il nostro o più freddi. La loro foglia si è attorcigliata formando aghi arricchendosi di resine rendendo difficile il congelamento.

All'interno del cloroplasto abbiamo una zona stromatica e dei tilacoidi i quali possono essere:

• Grana che si organizzano in pile
• Stromatici che attraversano lo stroma, più lungo che passa da una grana all'altra

Il DNA nel cloroplasto serve a codificare delle sostanze per il cloroplasto. Nella foto quella grande massa fluorescente è il nucleo della cellula. Gli altri punti fluorescenti rappresentano il DNA dei cloroplasti. Il DNA mitocondriale non si vede poiché i mitocondri sono più piccoli che i cloroplasti.

Esistono altri tipi di plastidi come il cromoplasto, ossia un plastidio colorato senza clorofilla interna (non fa fotosintesi) ma presenta i carotenoidi (li sintetizza anche). Quindi anche questo ha una vita autonoma, si produce le sostanze che gli servono. Essi determinano il colore dal giallo al rosso di fiori, foglie e frutti. Essi possono derivare dal differenziamento dei cloroplasti.

Abbiamo i leucoplasti i quali sono privi di pigmenti. Alcuni di questi si specializzano accumulando amido diventando amiloplasti. Altri ancora accumulano oli e proteine. Nella foto è indicato il ciclo di sviluppo plastidiale. Dal proplastidio possono originare l'amiloplasto oppure il cloroplasto che può trasformarsi in cromoplasto (o anche originare dal proplastidio). Ma anche il cromoplasto può trasformarsi in cloroplasto.

Il cloroplasto ha 2 membrane. Quella più interna si invagina formando delle vescicole le quali vanno verso l'interno del cloroplasto formando queste strutture che mano a mano si impilano che possono collegare una grana con l'altra formando i tilacoidi stromatici.

Funzione del vacuolo

Il vacuolo ricordiamo serve a mantenere la cellula turgida e la parete cellulare allo stesso tempo fa da contenitore. La pressione di turgore deriva dal vacuolo stesso il quale contiene acqua e una concentrazione molto alta di soluti che gli permettono di avere sotto controllo la pressione osmotica. Alcune volte hanno metaboliti secondari (esempio il tannino utile per difendersi ma è tossico infatti è rinchiuso nel vacuolo) utili per l'osmosi.

Nel vacuolo possono concentrarsi i pigmenti come le antocianine (esempio nelle cellule specializzate come i fiori la cellula deve accumulare tantissimi pigmenti per colorarsi e attrarre gli insetti). Esse sono responsabili del colore blu, rosso o azzurro.

Anche loro hanno un citoscheletro formato da un sistema di microtubuli, actina. I microtubuli svolgono un ruolo fondamentale per l'allineamento delle microfibrille di cellulosa che formano la parete. I filamenti di actina sono coinvolti nella costruzione della parete e nel movimento del citoplasma (guardare video).

N.B. Anche le cellule vegetali hanno i flagelli. Alcune cellule come quelle delle alghe le hanno sempre altre le perdono nel corso della vita. Nella vegetale il movimento è sinusoidale, in quelle animali è rotatorio.

Parete cellulare

Un'altra caratteristica è la parete cellulare. Le sue funzioni sono:

• Limitare l'espansione del protoplasto
• Difende la cellula: sostanze antibatteriche oltre che una difesa meccanica
• Ne determina la forma
• Contribuisce alla consistenza dei tessuti
• I diversi tipi di cellule vengono identificati anche sulla base della struttura della parete

Tra una parete e l'altra di cellule adiacenti abbiamo la lamella mediana ricca di pectina la quale fa da colla tra le 2 cellule. Può creare dei problemi per esempio nell'industria dei succhi di frutta formando i froppulati che impediscono un succo omogeneo a meno che usiamo degli enzimi pectinolitici che degradano la pectina. Essi sono presenti nel frutto stesso quando esso matura rendendo più soffice il frutto maturo. Altri si trovano nei microorganismi che degradano la frutta grazie anche a questi enzimi che staccano le cellule le une dalle altre.

La cellulosa (composto più abbondante sulla terra) è formata da una catena di glucosio. Ci sono legami idrogeno tra una catena e l'altra di cellulosa stabilizzando il legame. È immersa in una matrice formata da pectina (molecole idrofile che permettono l'assorbimento di acqua e quindi è più distensibile) e emicellulosa (formata da vari tipi di zuccheri, fa da collante). Essi non sono sempre presenti nella secondaria. La parete può essere primaria e secondaria (facoltativa, sta più all'interno, nelle cellule che devono essere più resistenti). La cellulosa è fatta da macrofibrille.