Ecofisiologia

Ecofisiologia vegetale

VOCs

I Composti Organici Volatili (VOCs) sono prodotti emessi nell'atmosfera da fonti naturali nell'ambiente marino e terrestre; la maggior parte dei VOCs che entrano nell'atmosfera sono di origine biogenica. Le maggiori fonti di VOCs includono la foresta Amazzonica e gli oceani, che emettono circa 1000 tonnellate di carbonio all'anno. Tutte le piante sono in grado di emettere VOCs, la cui composizione e contenuto mostrano variabilità genetica e plasticità fenotipica. Tutte le parti della pianta emettono VOCs (fiori, foglie, frutti, radici…). Le radici emettono VOCs nella litosfera.

Perché il cielo è azzurro?

La luce visibile di colore bianco che proviene dal Sole è formata dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche di lunghezza variabile, percepita come violetta fino alla radiazione che appare rossa, passando per il blu, il verde, giallo e arancione. La luce blu è diffusa in tutte le direzioni a causa della sua lunghezza d'onda più breve, rifratta dalle più piccole particelle degli strati più alti dell'atmosfera, al contrario degli altri colori. Da qualsiasi direzione si osservi, una frazione di questa luce giunge ai nostri occhi, quindi il cielo ci appare blu.

Al tramonto, invece, il cielo appare arancione perché la luce del sole per raggiungere i nostri occhi deve attraversare un maggior spessore di atmosfera rispetto a quando il sole è a mezzogiorno, quindi la luce blu viene diffusa di più e ci raggiunge solo la luce rossa/arancione tipica del tramonto. Le nuvole appaiono bianche a causa della maggiore dimensione delle particelle che le compongono rispetto all'aria, diffondendo i diversi colori della luce allo stesso modo, quindi appaiono bianche (il bianco è l'insieme di tutti i colori).

Il fenomeno della diffusione che colora il cielo e le nuvole è stato studiato da John William Strutt Rayleigh e prende il nome di scattering di Rayleigh.

Ruoli dei VOCs

• Difesa da erbivori e patogeni (funzione principale)
• Attrattori di impollinatori, trasportatori di semi e di altri organismi utili
• Segnalazione e comunicazione con altre piante

Ad oggi, sono stati isolati più di 1700 VOCs da oltre 90 famiglie vegetali, costituendo circa l'1% di tutti i metaboliti secondari. I VOCs sono volatili perché possiedono un'elevata pressione di vapore, molecole talmente volatili da passare spontaneamente allo stato gassoso, aumentando la pressione di vapore e quindi innalzando la colonnina d'acqua nel vaso comunicante.

La volatilità è una proprietà chimico-fisica che rappresenta la tendenza di un solido o di un liquido rispettivamente a sublimare o ad evaporare. In generale, sono considerate volatili le sostanze che, in determinate condizioni di pressione e temperatura, presentano elevata tensione di vapore. In altre parole, il sistema tende a evolvere spontaneamente verso lo stato aeriforme, raggiungendo il massimo livello di stabilità relativo alle condizioni in oggetto.

Sono una classe di composti eterogenea: terpenoidi, derivati di acidi grassi (AG) a 6 carboni (GLV, Green Leaf Volatile), alcani, alcheni, alcoli, esteri, aldeidi e chetoni. Il VOC più abbondante è l'isoprene (5 C, 2 doppi legami), rappresentando il 60% dei VOCs emessi dalle piante, una percentuale destinata ad aumentare. I terpeni sono i composti maggiormente emessi e sempre presenti in ogni interazione.

VOCs e atmosfera

I VOCs emessi dalle piante sono anche i maggiori precursori dei composti fitotossici troposferici (precursori dello smog fotochimico). Influiscono sull'atmosfera interagendo con altre molecole e si trasformano in SOA, formando l'ozono troposferico, catalizzando cioè la formazione di O₃. Pertanto, il loro livello è uno dei parametri fondamentali per valutare la qualità atmosferica.

Nell'atmosfera è presente una grande quantità di radicali HO, generati per fotolisi dell'acqua, che di giorno sono i radicali più presenti nell'atmosfera. Si definisce radicale (o radicale libero) un'entità molecolare molto reattiva, avente vita media di norma brevissima, costituita da un atomo o una molecola formata da più atomi che presenta un elettrone spaiato, rendendo il radicale estremamente reattivo, in grado di legarsi ad altri radicali o di sottrarre un elettrone ad altre molecole vicine. Agiscono soprattutto sugli acidi grassi con doppi legami.

In ambienti inquinati, i VOCs catalizzano la loro stessa ossidazione, diventando più polari e quindi meno volatili, formando O₃ troposferico. Gli ozonuri sono composti chimici derivati dall'ozono. In chimica inorganica, con il termine "ozonuro" si indica l'anione instabile O₃^-, che tende a formare composti ionici di colore rosso scuro.

Ruoli dei BVOCs nel sistema Terra

• Molecola organica in grado di assorbire luce con lunghezza d'onda maggiore a 90 nm

I prodotti di ossidazione dei BVOCs (SVOC/LVOC) hanno generalmente una pressione di vapore più bassa rispetto ai composti primari, risultando cioè meno volatili e sedimentano rapidamente. SVOC indica i Semivolatile Organic Compounds, mentre LVOC indica i Low Volatile Organic Compounds. Il SOA, o Secondary Organic Aerosol, è presente sia in ambienti inquinati, dove le reazioni sono più veloci, che in ambienti non inquinati. Gli effetti del SOA nell'atmosfera includono l'interferenza con tutte le lunghezze d'onda, rendendo il cielo bianco, con riduzione della visibilità e alterazione delle precipitazioni.

VOCs vegetali in atmosfera inquinata da O₃

È stato calcolato che le concentrazioni di O₃ aumentino tra lo 0,5% e il 2% all'anno e che entro il 2100 la concentrazione media sarà oltre i 40 ppb sulla maggior parte della Terra e oltre i 70 ppb su alcune regioni.

• Gli effetti mediati dalla pianta possono influire su performance e comportamento degli erbivori, così come sulla performance e abbondanza dei livelli trofici più alti (predatori e parassiti degli erbivori).
• L'esposizione cronica influisce sui processi fisiologici con o senza sintomi visibili, risultando in una diminuzione di produzione dei coltivi.

I VOCs sono coinvolti nelle interazioni tritrofiche che coinvolgono una pianta, un erbivoro e un predatore dell'erbivoro.

Risposta ipersensibile

Con l'aumento di O₃, i VOCs vengono ossidati velocemente, danneggiando la pianta stessa, riducendo significativamente foreste e coltivazioni. Un sintomo da esposizione a O₃ è la micronecrosi sulle foglie. Gli stomi sono la via d'ingresso per l'O₃: il danno principale avviene a livello stomatico (membrane delle cellule di guardia), causando stress ossidativo e una risposta di difesa della pianta attraverso l'attivazione a cascata di geni difesa che porta alla formazione di composti come H₂O₂ e acido salicilico, che sono secondi messaggeri che attivano una risposta locale (messaggeri tissutali).

• Ca²⁺ citosolico
• Specie radicaliche (H₂O₂, NO [gas modulatore della risposta genica a bassissime concentrazioni])
• Fitormoni (ac. salicilico)

Questa attivazione è tipica di attacchi da patogeni. L'insieme di questi tre composti porta all'apoptosi, creando un effetto di "terra bruciata" intorno al patogeno, che non può più espandersi. La pianta scambia il danno dell'O₃ per un attacco di un patogeno e risponde quindi con l'apoptosi e chiude gli stomi, interrompendo la fotosintesi e diminuendo la resa dei coltivi.

L'ozono danneggia anche cera e cuticola, ossidandole: non sono più idrofobiche ma diventano idrofiliche. Inoltre, porta a un'alterazione negli scambi nello strato limite: l'O₃ altera la polarità della superficie, alterando l'interazione pianta-erbivoro.

Come fa la pianta a rispondere allo stress da O₃?

• Risposta ipersensibile
• Genera uno scavenger (molecola che interagisce con l'ozono), come l'isoprene, che agisce come scudo buttando fuori l'O₃

Isoprene + O₃ produce SOA, un ciclo autocatalitico che porta alla produzione di altro O₃.

Riassumendo

• Attivazione di geni di difesa e cascate biochimiche
• Diminuzione della fotosintesi
• Formazione di danni cellulari alle piante
• Reazione con la superficie delle foglie e con lo strato limite
• Reazione dei VOCs nell'atmosfera

O₃ è ossidante, pericoloso sia per l'uomo che per le piante, che rispondono in modo simile a un attacco di patogeni (batteri e funghi).

Le molecole possono essere più o meno reattive e resistere più o meno tempo nell'atmosfera. La reattività dipende dalla presenza di doppi legami. Se queste molecole vengono ossidate in fretta, si perde il messaggio biologico, causando una perdita della funzione ecologica.

Funzione fisiologica dei VOCs

I VOCs sono attrattanti di insetti e animali impollinatori e dispersori di semi, un esempio di coevoluzione, emessi in concomitanza con la maturazione del frutto, come nei pomodori, che utilizzano un messaggio cromatico e volatile. I VOCs sono sintetizzati in risposta a stress sia biotici che abiotici. Ad esempio, il pioppo emette isoprene come risposta allo stress termico, modificando la fluidità della membrana. L'isoprene ha la capacità di mitigare gli effetti dell'aumento di temperatura, essendo una molecola lipofila che stabilizza la fluidità delle membrane.

VOCs provocano una risposta biologica diretta, fungendo da molecola repellente o tossica per l'erbivoro. La risposta biologica indiretta consiste nel richiamare i parassiti o predatori dell'erbivoro, un'interazione tritrofica che rappresenta una coevoluzione, con i predatori che riconoscono i VOCs come segnali di localizzazione delle prede. Alcuni VOCs, come l'acido salicilico e l'acido giasmonico, agiscono da ormoni.

I VOCs mediano le interazioni pianta-pianta, un campo di grande interesse attuale. L'albero dei composti volatili include:

• Da isoprene a DMNT: terpeni
• Dal malonilCoA a acidi grassi [ac. linoleico e ac. linolenico: acidi grassi poliinsaturi] ⇒ GLV (Green Leaf Volatile) + JA (acido giasmonico, ormone non volatile, che diventa volatile quando viene metilossidato con l'aggiunta di un metile sul carbossile)
• Da via dello shikimato a amminoacidi aromatici (precursori eugenolo, acido salicilico)

I GLV sono composti a 6 carboni, ad esempio l'odore di erba tagliata, e diventano volatili quando metilossidati. Sia i GLV che il JA non sono stoccati ma prodotti subito dopo il danno, grazie alla disponibilità dell'enzima e del substrato (AG presenti nella membrana dei cloroplasti).

Monoterpeni

Hanno una via di sintesi citosolica e una cloroplastica:

• Via dell'acido mevalonico (MAV) tramite l'acetilCoA, che produce principalmente sesquiterpeni
• Via del metil-eritritolo-fosfato (MEP), precursori gliceraldeide-3-fosfato e piruvato, che producono principalmente mono- e diterpeni

Entrambe le vie producono l'isopentenil-difosfato (IPP), precursori di tutti i terpeni, interconvertibile nell'isoforma: dimetil-allil-pirofosfato (DMAPP). È dall'unione di queste due molecole che si ottengono tutti gli altri terpeni. L'isoprene è sintetizzato via MEP, il DMNT è un sesquiterpene (15C) che perde 4C diventando 11C, mentre il TMTT è un diterpene (20C) che perde 4C diventando 16C.

Fino ai 20 carboni si ha più una polimerizzazione lineare, dopo di che intervengono enzimi:

• CITOCROMI P450 (PRENIL TRANSFERASI): determinano l'allungamento della catena producendo geranil pirofosfato (GPP; C10), Farnesil pirofosfato (FPP; C15), geranilgeranilpirofosfato (GGPP; C20)
• TERPENE SINTASI: modificano i prodotti delle prenil transferasi (ciclizzazioni) producendo una gran varietà di terpeni (Monoterpene sintasi, sesquiterpene sintasi, diterpene sintasi)

Lo scheletro dei terpeni è riarrangiato da enzimi (terpene sintasi e Cyt P450) che sfruttano la formazione di carbocationi. Le reazioni enzimatiche portano a riarrangiamenti, ciclizzazioni, isomerizzazioni, idratazione (aggiunta di –OH), ossidazione a gruppi chetonici e acidi. Non tutti i terpeni sono composti volatili, ma solo quelli a più basso peso molecolare: monoterpeni e sesquiterpeni, presenti nel volatile della pianta.

Polimerizzazione dei terpeni

• Testa-coda (isoprene, mono-, sesqui- e diterpeni)
• Coda-coda (terpenoidi più grandi, es. farnesil-farnesil) Si sposta il doppio legame (più riarrangiamenti dovuti alla terpeno-sintasi)

Monoterpeni ciclici

La condensazione dell'IPP con il DMAPP forma il precursore di tutti i monoterpeni, il geranil pirofosfato (GPP). La ciclizzazione del GPP avviene per opera di una serie di enzimi definiti ciclasi che portano alla formazione dei vari scheletri monoterpenici: mentani, pinani, canfani, carani, fenciani, tujani.

Thujene è presente in tuja, ginepro, assenzio. La via biosintetica dei cloroplasti ha luogo anche nei plastidi non ancora differenziati. Il limonene è il precursore di tutti i mentani, ha due isoforme: l'R-limonene (aroma di arancia) e l'S-limonene (aroma di limone). I derivati ossigenati del limonene sono l'R-carvone (menta spicata) e l'S-carvone (cumino). Piccole differenze stereochimiche hanno quindi una grande differenza biologica. Gli organismi ricevono sempre il blend, ossia la miscela di terpeni: la risposta biologica non è mai associata al singolo terpene, ma al blend complessivo.

Sesquiterpeni

La condensazione del GPP con una molecola di IPP forma la classe di terpeni costituita da 15 atomi di carbonio. Il precursore di tutti i sesquiterpeni è il farnesil pirofosfato (FPP).

Siti di sintesi

Nelle piante che accumulano in modo costitutivo i VOCs, vengono accumulati in:

• Dotti resiniferi (terpeni volatili e non, con funzione repellente e di ostruzione o chiusura della ferita)
• Tricomi ghiandolari (strutture di iperaccumulo), su gambo, fiori e foglie (queste strutture permangono per anni)

Tricomi ghiandolari

• Capitati: composti da una cellula basale e una cellula secretrice, soprattutto nei tessuti giovani gambo e foglie.
• Peltati: composti da una cellula basale, una cellula e 8 cellule secretrici, soprattutto nei tessuti adulti.

I due tipi di tricomi accumulano composti diversi tra loro.

Modalità di accumulo dei terpeni

1. Bisogna impedirne la volatilizzazione
2. Bisogna impedirne la fuoriuscita (sono composti idrofobici)
3. Sono composti tossici, anche per la pianta! Bisogna confinarli in un comparto

Vengono iperaccumulati in uno strato epicuticolare, al di fuori della cellula (spazio idrofobico), sotto forma di oli che possono, all'occorrenza, essere velocemente liberati, ad esempio se attacca un insetto. Esistono dei triterpeni che mimano gli ormoni della muta dell'insetto, alterandone così il ciclo, causando muta precoce e insetto sterile o la morte dell'insetto durante la muta. Le lamiacee hanno una presenza abbondante di tricomi ghiandolari costitutivamente. In seguito all'attacco dell'insetto, la pianta può modificare il blend dei volatili sintetizzati.

Le altre piante attivano la biosintesi dei VOCs solo se necessario: non li producono costitutivamente (costo energetico). Ciò però ha come conseguenza un tempo di risposta all'attacco più lungo, passano ore. Inoltre, le piante sintetizzano i VOCs quando c'è disponibilità energetica, perché la biosintesi parte dai precursori forniti dalla fotosintesi: se non c'è fotosintesi non ci può essere produzione di terpeni. Le piante che li producono costitutivamente hanno una maggiore resistenza nei confronti degli erbivori generalisti, anche se a costo di un maggior dispendio energetico.

Interazioni pianta-erbivori

Quando le piante sono attaccate da erbivori, cominciano ad emettere dei blend che possono essere anche molto complessi, fino a 200 composti. Possono servire per:

1. Inibire il feeding (senza ricevere alcun danno)
2. Avere un effetto tossico (con danno)
3. Richiamare i nemici naturali dell'erbivoro (interazione tritrofica)
4. Inibire l'ovodeposizione (limita il danno che subirebbe dopo la schiusa)

La pianta quindi deve essere in grado di capire quando c'è il danno e di discriminare tra danno biotico e abiotico. Quest'ultimo avviene tramite elicitori (ruolo simile agli antigeni): sono piccole molecole rilasciate dalle secrezioni orali che la pianta è in grado di riconoscere, di diversa natura chimica in base al tipo di erbivoro.

Tipi di erbivori

• Insetti succhiatori del succo floematico (afidi): danno limitato, inseriscono lo stiletto fino alla cellula floematica, senza danneggiare le altre cellule, rilasciano saliva nel floema.
• Raschiatori e succhiatori del contenuto cellulare (aracnidi): raschiano la cuticola, raggiungono la pallizzata e succhiano il contenuto cellulare, lasciando lo scheletro della cellula (danno più esteso).
• Insetti masticatori dei tessuti vegetali: asportano parte di tessuto con un'azione meccanica, parzialmente digerito dagli enzimi del succo salivare, che viene anche rilasciato all'esterno durante il feeding: due danni, uno meccanico (taglio) e uno biologico (dato dalla secrezione salivare contenente elicitori).

Elicitori

1. Peptidi (inceptina): piccola catena di amminoacidi; il substrato da cui viene sintetizzata è un substrato vegetale, deriva dalla digestione della pianta.
2. AG + aa (volicitina): catalizzazione tra AG della pianta e aa dell'insetto.
3. AG idrossilato + s...