Ecofisiologia vegetale

Ecofisiologia vegetale - Cerana anno 2017-2018

La fotosintesi

La fotosintesi è un processo composto da due fasi:

• Fase tilacoidale: durante la quale l’energia luminosa viene trasformata in energia chimica ATP e NADPH con conseguente formazione di O₂.
• Fase carbonica: durante la quale le molecole energetiche vengono usate per organicare il carbonio.

La prima fase necessita di due fotosistemi in serie per catturare la luce (PSII o P680 e PSI o P700) a loro volta associati ai rispettivi pigmenti antenna LHCII e LHCI. Questi due fotosistemi cooperano tra loro creando un effetto di amplificazione. Infatti se fornisco una luce monocromatica:

• < 680 nm attività = 100
• > 680 nm attività = 100

Fornendo contemporaneamente entrambe due lunghezze d’onda ho un’attività > 200 → risposta sinergica più che additiva.

I due fotosistemi sono allocati nei tilacoidi con una distribuzione caratteristica:

• PSII si trova nei grana
• PSI si trova nei intergrana o a contatto con lo stroma

PSII e PSI possono stare fisicamente separati grazie ai trasportatori Plastochinone (da PSII a B6F) e Plastocianina (da B6F a PSI), inoltre il trasporto degli elettroni rende possibile il non rispetto della stechiometria 1:1 infatti il PSII è favorito trovandosi presente in maggior quantità 1,5:1 (rapporto che può variare in base alle condizioni ambientali).

Strategie di ottimizzazione della fotosintesi

Nell’arco di una giornata la quantità di luce varia e, a seconda dell’intensità, può favorire un fotosistema rispetto all’altro perciò la pianta utilizza differenti strategie per ottimizzare al massimo la cooperazione tra i due fotosistemi (e quindi l’assorbimento della luce).

Ottimizzazione a livello del cloroplasto

Ottimizzazione del fotosistema II - complesso antenna LHCII: se il PSII è più eccitato cede più elettroni di quanti PSI ne possa ricevere creando un accumulo di plastochinone (PQ) in forma ridotta (PQH₂) aumentando il rapporto PQH₂/PQ. L’aumento di questo rapporto provoca l’attivazione di una proteina-chinasi che fosforila un residuo specifico della treonina della parte esterna mobile del complesso LHCII (LHCII-treonina-P). Si forma perciò una repulsione di cariche che fa migrare una parte dell’LHCII verso il PSI (ovvero da grana ad intergrana) per associarsi a quest’ultimo e aiutarlo all’assorbimento della luce.

Quando il PSI > PSII il rapporto PQH₂/PQ diminuisce, la fosfato-chinasi viene inibita e si attiva una fosfatasi che stacca il fosfato dalla treonina. Non essendoci più repulsione il LHCII torna verso il PSII. Questo intero processo avviene in modo rapido e reversibile e utilizza il rapporto PQH₂/PQ come indicatore per capire quale PS è maggiormente attivo.

Ottimizzazione a livello fogliare

L’ottimizzazione è data dalla struttura stessa della foglia. In una foglia di dicotiledone bifacciale classica (parallela al suolo) troviamo un primo strato di epidermide con cellule solitamente prive di cloroplasti. Sotto si trova il mesofillo a palizzata (1-3 strati) e il mesofillo lacunoso con cellule con interfaccia aria-acqua. Infine si trova l’epidermide inferiore ricca di stomi.

Epidermide superiore: cellule prive di cloroplasti (e quindi trasparenti alla luce fotosinteticamente attiva 400-700 nm) talvolta con forma convessa (es. piante erbacee di sottobosco dove serve convogliare con efficacia la luce).

Mesofillo a palizzata: ricco di clorofilla, ottimizza l’assorbimento. Presenta più strati per due effetti:

• Effetto setaccio: la clorofilla ha poco volume e fatica ad assorbire la luce incidente perché è confinata nei cloroplasti a loro volta confinati nel citosol. Più strati aumentano la possibilità di assorbimento efficiente.
• Effetto di incanalamento (o guida): la luce incidente, se non entra nella cellula, viene incanalata lungo le pareti negli spazi apoplastici fino allo strato successivo. La rifrazione della luce incanalata a livello dell’interfaccia acqua/aria permette una dispersione del raggio luminoso (light scattering) che aumenta fino a 4 volte il percorso della luce nella foglia aumentando di conseguenza la probabilità di assorbimento.

Sempre a livello fogliare anche il movimento dei cloroplasti stessi (che si attiva in base all’intensità luminosa) permette un controllo nell’assorbimento luminoso. Se si è in presenza di forte luce i cloroplasti si dispongono paralleli al flusso luminoso in modo tale che i primi strati di organuli assorbano schermando gli altri. In caso opposto, in presenza di scarsa luce, i cloroplasti si dispongono parallelamente alla superficie fogliare in modo da aumentare la possibilità di assorbimento. Questo meccanismo da solo può ridurre l’assorbimento del 15%.

Un ulteriore meccanismo di difesa è rappresentato dal movimento della lamina fogliare che determina differenti inclinazioni della foglia durante la giornata. Questo movimento è definito eliotropismo, è dettato dal sole e può essere negativo o positivo. Risulta eliotropismo positivo quando le foglie (definite diaeliotropiche) seguono la posizione del sole in modo tale che la lamina sia sempre parallela ai raggi. In alcuni casi questo movimento è dovuto al picciolo o al pulvillo, organo che si trova nel punto di intersezione della lamina basale con il picciolo formato dalle cellule motrici del pulvillo con ai lati opposti cellule estensori e flessori che variano il loro turgore in base all’acqua.

L’angolo della foglia rispetto al sole ha una precisione di circa 15°. L’eliotropismo negativo invece è tipico delle piante che rischiano il surriscaldamento fogliare o di quelle che devono ridurre la traspirazione durante periodi di siccità.

Curva dose/risposta

La curva parte con valori negativi perché, in assenza di luce, la pianta respira producendo CO₂. Nel momento in cui la respirazione e l’attività fotosintetica si equivalgono (x=0 e Y=0) si parla di fissazione netta. Le C4 non mostrano saturazione anche a 1900-2000 µM di fotoni fotosinteticamente attivi. Questo è reso possibile dal fatto che una maggior presenza di luce rende più facile l’accumulo di CO₂ durante la fotorespirazione (si usa più energia).

Il primo carbonio usato nella fissazione deriva dall’HCO₃ derivante dall’idratazione della CO₂:

CO₂ ↔ CO₂ + H₂O → H₂CO₃ ↔ HCO₃ + H⁺

Le C4 vanno a saturazione quando la [CO₂] atmosferica equivale quella interna alla foglia, la curva delle C3 non satura perché dipende sia dalla concentrazione di CO₂ che da quella di O₂ (fotorespirazione). Se non fosse presente l’ossigeno, saturerebbero anche C3.

Rendimento quantico della fotosintesi

Il rendimento quantico della fotosintesi è il rapporto tra i prodotti e i reagenti, il punto massimo è rilevabile nel punto di massima pendenza:

RQ = CO₂ fissata / fotoni assorbiti oppure RQ = O₂ prodotto / fotoni assorbiti.

Per ogni elettrone eccitato viene assorbito un fotone (1:1) perciò il numero minimo di fotoni necessari è 8 (4 per ogni fotosistema):

2H₂O → O₂ + 4H⁺ + 4e^-

Per questo motivo RQ = 1 O₂ / 8 = 0,12 sperimentalmente durante il processo si è scoperto che il numero di fotoni assorbiti è maggiore (10) e che una parte di questi viene rilasciata sotto forma di calore, perciò RQ = 0,1 (rapporto 1:10).

Il numero minimo di fotoni da assorbire per fissare una molecola di CO₂ è uguale al numero per produrre O₂ poiché le reazioni tilacoidali forniscono l’energia necessaria per organicare il carbonio (ciclo di Calvin) O₂ : CO₂ = 1:1 = 6:6 2NADPH + 3ATP.

Nelle piante C3 RQ = 0,08 per via dell’alto dispendio energetico, i bilanci energetici di queste piante sono variabili in funzione della doppia azione della rubisco (non si deve fare fotoossidazione) a sua volta influenzata dall’aumento di temperatura che va a influire sulla solubilità dei gas (con l’aumento della temperatura diminuisce la solubilità della CO₂ e quindi anche l’attività carbossilica).

RQ = 0,08 / 0,04

Il rendimento delle C4, al contrario, non varia al variare della temperatura perché non fotorespirano.

RQ = 0,05 / 0,06 < R_C3max

Piante eliofite e sciafite

Le eliofite presentano un valore di compensazione della luce compreso tra i 10/20 µM/m²s di fotoni mentre le sciafite hanno valori tra i 2/3 µM/m²s di fotoni (essenzialmente le piante d’ombra sono piante C3). L’intensità di luce a cui saturano è differente (200/400 piante d’ombre e 700/800 piante sole, valori massimi raggiunti dalla pianta durante la crescita). Dato che le attività fotosintetiche sono differenti, le sciafite hanno meno sostanza organica da respirare e investono meno nella crescita.

Le piante presentano due adattamenti:

• Su base genetica (risultano già “programmate” per crescere in un determinato luogo).
• Su base ambientale dipendente dalle condizioni di luce che si presentano nella vita (acclimatazione ben visibile nelle alghe).

Nel sottobosco l’intensità luminosa è piuttosto bassa e varia dai 1900/2000 µM/m² ai 17,7 µM/m² per via delle chiome che provocano una variazione della qualità della luce assorbendo la luce rossa (680 nm) e lasciando passare la rosso lontano (700 nm).

Le foglie sono strutturate diversamente al loro interno: i cloroplasti presentano molti PSII con molta clorofilla B che porta ad un accumulo di LHCII (PSII: PSI = 3:1). La pianta infatti disinveste sui trasportatori di elettroni (citocromo b6f, plastocianina, ferrodossina, plastocianina) e sull’ATP-sintasi e sulla rubisco, investendo invece nella produzione di più grana e sullo sviluppo della membrana tilacoidale.

Anche le foglie saranno differenti: le piante di sole avranno foglie più spesse con mesofillo a palizzata da 1 a 3 strati rispetto a quelle di ombra che risulteranno essere più sottili. Su una stessa pianta possono coesistere entrambe le tipologie di foglie poiché non vengono esposte tutte in egual modo alla luce.

Stress da luce e fotoinibizione

La luce, in determinate condizioni, può inibire la fotosintesi e risultare dannosa alla pianta. Il processo fotosintetico è composto da due tipi di reazioni: tilacoidali e stromatiche.

1. Le reazioni tilacoidali forniscono ATP e NADPH. 2. Le reazioni stromatiche, durante il ciclo di Calvin, ossidano il NADPH e riformano ADP + Pi. Se le reazioni stromatiche si bloccano per mancanza di CO₂ non ri possono più riformare ADP e NADP necessari alla catena di trasporto di elettroni, le reazioni tilacoidali portano ad un accumulo di ATP e NADPH (che, essendo in forma ridotta, non risultano più accettori) e i fotosistemi non riescono a “scaricarsi”.

NB: Le reazioni stromatiche sono dipendenti dalle reazioni tilacoidali che, a loro volta, risultano dipendenti dalle stromatiche. Le condizioni inibitorie possono derivare da:

• Un’intensità luminosa superiore all’intensità tipica della specie (es. specie d’ombra messe alla luce diretta).
• Una luce bassa ma in mancanza di CO₂ per via di stress idrico (manca acqua) o stress salino (troppi sali nel terreno): si ha un sovraccarico dei fotosistemi.

Le reazioni stromatiche sono reazioni biochimiche catalizzate da enzimi che dipendono dalla temperatura, se la temperatura è troppo alta/bassa può capitare che, pur essendo a intensità luminosa bassa, si sia in situazione di sovraccarico dei PS. es. C3.

In fotoinibizione ho una minor resa del rendimento quantico (RQ), si può avere una:

• Fotoinibizione dinamica: quando la pianta mette in atto meccanismi di protezione che portano alla diminuzione di RQ (senza diminuire il rendimento massimo, l’attività fotosintetica non cambia).
• Fotoinibizione cronica: sintomo di danneggiamento della pianta, si ha la diminuzione di RQ e dell’attività fotosintetica della pianta.

Il fotosistema più sensibile alla fotoinibizione è il fotosistema PSII (P680), la pianta mette in atto vari meccanismi:

• Diminuire l’assorbimento: può verificarsi in vari modi come:
  1. Spostamento della parte esterna mobile del complesso antenna LHCII dal PSII al PSI.
  2. Spostamento dei cloroplasti che, impilandosi, diminuiscono l’assorbimento del 15%.
  3. Movimento della lamina fogliare.
  4. Attuando modifiche morfologiche alla foglia (tipico di luoghi aridi) con cere, incrostazioni saline o pubescenza fogliare (formazione dei tricomi) che diminuiscono l’assorbimento del 40%.
• Utilizzare l’energia in eccesso: nelle C3 e viene grazie all’attività ossigenasica della rubisco (in deficit di CO₂) che prende l’O₂ prodotto consumando NADPH e ATP, ciò porta ad una riduzione di RQ poiché, a parità di zucchero prodotto, ho un maggior utilizzo di energia.
• Dissipare l’energia sotto forma di calore: questo meccanismo coinvolge i pigmenti delle antenne che assorbono nel blu (carotenoidi) che si dividono in caroteni (composti da H e C) e xantofille (H,C e O). Questi pigmenti agiscono a due livelli:
  1. De-eccitano il singoletto di O₂ (O₂*) e la clorofilla a tripletto 3clf*.
  2. Attuano il ciclo metabolico delle xantofille.

a) Quando i centri di reazione sono chiusi (ovvero l’accettore PQH₂ è ridotto) P680 non può passare elettroni quindi la feofitina ridà l’elettrone alla Clorofilla A formando il tripletto eccitato:

3clf* + O₂ → clf + O₂* ha una vita di 18µs, molto reattivo. Ho una dissipazione di energia livello del centro di reazione.

I carotenoidi reagiscono con il singoletto di ossigeno prendendo l’energia per passare ad uno stato di tripletto eccitato con un’energia tuttavia inferiore rispetto a quella del singoletto. Il pigmento ritorna poi allo stato basale disperdendo energia sotto forma di calore:

O₂* + carotenoide → O₂ + carotenoide → carotenoide + calore

NB: dato che l’energia del carotenoide è minore non può reagire con clorofilla e ossigeno ri-eccitandoli. Il carotenoide deve avere 9 o più doppi legami coniugati (caratteristica sua).

b) Ciclo delle Xantofille: permette di dissipare energia a livello del complesso antenna entrando in competizione con il centro di reazione. La violaxantina (presente in condizioni non fotoinibitorie) in presenza di troppa luce diventa prima anteraxantina e poi zeaxantina (che va a competere con il P680, una volta eccitata decade liberando calore). A pH acido si attiva la de-epossidasi che stacca i gruppi epossido, quando torno in condizione non di fotoinibizione (pH > 5) ho l’epossidazione. La xantofille si trasformano le une nelle altre grazie all’ascorbato.

Questo meccanismo è presente anche nelle alghe verdi e con alghe brune e rosse (ma altre xantofille). Nelle piante sempreverdi in inverno si verifica un’alta concentrazione di zeaxantina (fotoinibizione costante) mentre in estate la concentrazione varia nel corso della giornata.

Una parte dell’energia viene comunque sempre dissipata sotto forma di calore (fotoinibizione dinamica). Se questi meccanismi non sono sufficienti a prevenire il danno, il PSII (PS 680) si danneggia con conseguente fotoinibizione cronica e il fotosistema subisce uno smembramento. La pianta cerca di risanare il problema con la sintesi di una nuova proteina D1 e riassemblaggio, tuttavia si ha uno sbilanciamento tra degradazione e velocità di riassemblaggio che causa un danno ossidativo: le subunità che si affacciano nel lume per la riduzione dell’O₂ si staccano e si separano gli atomi di Manganese. Più la pianta subisce la fotoinibizione più andrà ad investire in meccanismi di difesa piuttosto che su strategie riproduttive → la fotoinibizione va ad influire sull’ecosistema naturale.

Surriscaldamento fogliare

Per evitare il surriscaldamento la pianta ha 3 metodi:

• Meccanismo teorico: considerato tale perché conta come emissione di calore l’emissione infrarossa ad alta lunghezza d’onda (> 3000 nm) però tutti i corpi sopra i 0°K emettono questo calore. Risulta irrilevante perché tanto calore perde tanto ne riacquista dagli altri corpi.
• Meccanismo latente o evaporazione: avviene con gli stomi tramite respirazione.
• Meccanismo sensibile o percettibile: quando la foglia cede calore all’aria.