Ecofisiologia vegetale, prof. Cerana

NO (UV) NO + O

2

• →

O + O O

2 3

• →

O + NO NO + O

3 2 2

Condizioni inquinanti

• → →

NO (UV) NO + O

2

• →

NO + COV PAN

• →

O + O O

2 3

Questo tipo di inquinamento è detto “fitochimico”. Le piante sono state classificate in base alla possibile produzione di

ozono (P.O.F.)

• →

Basso impatto: POF < 1g O /day Aghifoglio, Cipresso, Gelsomino

3

• →

Medio impatto: 1g < POF < 10g Magnolia, Quercia rossa

• →

Alto impatto: POF > 10g Faggio, Pioppo, Leccio, Salice piangente

Fotomorfogenesi

Pianta eziolata: pianta non verde che si sta sviluppando al buio (scotomorfogenesi)

Pianta verde: pianta senza ezioplasti che si sviluppa alla luce

La pianta eziolata di solito è più lunga di una pianta verde. Essa di solito ha anche il gancio meristematico curvato verso

il basso per proteggere l’apice meristematico. Questo perché la pianta eziolata è ancora sottoterra. Si allunga dunque

molto il fusto perché deve uscire dal suolo. La maggior lunghezza della pianta eziolata è dovuta al fatto che ogni

internodo è più lungo del normale; non c’è un numero maggiore di nodi. Basta pochissima luce per far diventare verde

una pianta eziolata; inoltre, la clorofilla compare dopo questo cambiamento.

Effetti luce blu:

• Apertura stomi

• Fototropismo del coleottile

• Movimento cloroplasti

• Moviemento lamina fogliare

Effetti luce rossa

Sono mediati dal fitocromo (pigmento proteico). Questo fotorecettore è stato identificato nel 1959 ma già dagli anni

’30 erano noti gli effetti. Ha effetti su quasi tutte le piante e anche sulle clorofite (alghe verdi). Agisce su diversi livelli di

sviluppo della pianta.

Protrusione della radichetta: il tegumento del seme si rompe per far uscire la radichetta. Si è studiato questo fenomeno

in diverse condizioni di luce: al buio, nel rosso (650-680nm) e nel rosso lontano (710-780nm). Al buio la germinazione è

quasi assente, nel rosso la germinazione è completa mentre nel rosso lontano (successivamente ad eseposizione a luce

rossa) la germinazione si interrompe. La luce RL blocca gli effetti della luce rossa. Ci sono due possibili interpretazioni:

• Il fotorecettore RL è antagonista del fotorecettore luce rossa

• Esiste un unico fotorecettore in grado di assorbire entrambi i tipi di luce. Questo recettore deve essere

fotoreversibile da una forma all’altra. Nel ’59 dimostrarono l’esistenza del

fitocromo che presenta queste proprietà. Il fitocromo (Pr) assorbe luce

rossa e subendo una modifica conformazionale passa in conformazione

Prl. La conversione non è mai totale. Prl irraggiato con luce RL torna in

conformazione Pr. Si raggiunge così uno stato fotostazionario in cui

entrambe le forme coesistono. Con luce rossa Pr diventa Prl ma dato che

Prl assorbe anche nel rosso una parte (12%) si riconverte in Pr. Stessa cosa

succede nel caso in cui Prl esposto a luce RL si trasforma in Pr; dato che Pr

assorbe anche nel RL una parte (2%) si riconverte in Prl. La forma Prl è

quella che scatena l’effetto biologico e tanto più è presente Prl tanto più

7

l’effetto è marcato. L’effetto biologico dipende anche dai rapporti

Prl/Pr e Prl/Ptot. Il fitocromo è un dimero di 250kDa. Ad ogni catena

del dimero è legato un cromoforo che è un tetrapirrolo lineare

(fitocromobilina). Il cromoforo è legato in N-terminale ad una

Cys357 con legame tioetere. La regione N-t è di 70kDa, il C-terminale

è di circa 55kDa e in mezzo si trova una cerniera importante per il

cambiamento conformazionale. Il legame del cromoforo al dominio

GAP della catena polipeptidica è autocatalitico. Il dominio PHY

stabilizza la forma Pr. Nella forma Pr la regione N-terminale

maschera la regione C-terminale mentre nella forma Prl si ha una

conformazione più distesa. I domini PRD (al C-terminale) sono

importanti nella dimerizzazione e presentano una sequenza di

localizzazione nucleare. Nella forma Prl i domini PRD sono liberi e

quindi granparte del fitocromo si sposta nel nucleo e regola i geni

per la fotomorfogenesi. Il Prl che resta nel citosol regola flussi ionici e il potenziale di membrana. Il dominio

HKRD ha proprietà di chinasi e attutisce gli effetti biologici. Assorbendo luce rossa il cromoforo passa in

conformazione trans- (anello D) e serve a far assumere al fitocromo la conformazione distesa.

In realtà esistono due fitocromi: di tipo I e II. L’I è abbondante nella pianta eziolata mentre nella pianta verde c’è ugual

conentrazione di entrambe le forme. Il fitocromo è codificato da una famiglia multigenica (PHY) di almeno cinque geni.

→

PHY-A codifica per il tipo I mentre PHY-B,C,D,E codificano per il tipo II. Il fitocromo di tipo I scompare alla luce. PHY-A

→

mRNA Pr, con la giusta luce Pr→Prl e si hanno gli effetti biologici. Prl ha un feedback negativo sulla trascrizione del

proprio mRNA e dato che nella avena sia mRNA che Prl sono instabili si ha la loro degradazione. Nella Arabidopsis questo

meccanismo di feedback è assente. Nel caso del tipo II non c’è feedback negativo e Pr e Prl hanno la stessa stabilità

quindi c’è uguale quantità di fitocromo II sia nella pianta eziolata che nella pianta verde.

Localizzazione fitocromo

Attraverso metodi spettrofotometrici e immunocitochimici si è capito che il fitocromo è maggiormente localizzato nei

tessuti meristematici (giovani), nel fusto e nella cuffia della radice. A livello cellulare il fitocromo è presente nel citosol

e nel nucleo. I promotori dei geni PHY sono più attivi nei tessuti giovani e di conseguenza nelle cellule di questi si

riscontrano maggiori livelli di mRNA di questa famiglia genica.

Parametri fitocromo

Tempo di latenza: tempo trascorso tra somministrazione della luce ed effetto biologico. Può variare tra prochi minuti

(movimento cloroplasto) a mesi (fioritura).

Tempo di fuga dalla reversibilità: prolungando il tempo tra luce R e luce RL si arriva ad un punto in cui la luce RL non

inibisce più l’effetto biologico prodotto dalla luce R. Questo intervallo varia da minuti a settimane.

Quantità di luce necessaria: è nota come “fluenza” e si misura contando tutta la luce; sia quella incidente che quella

2 2

riflessa. La fluenza è la quantità di fotoni per m di superficie. Essa dipende dalla velocità di fluenza (fotoni/m s) per il

= ∗ .

tempo di irraggiamento (s). Si ottiene: Per ottenere un certo valore di fluenza si può

agire su entrambi questi due fattori. La risposta segue dunque la legge di reciprocità.

Esistono tre tipi di risposte:

• Risposte a bassissima fluenza (VLFR): non sono fotoreversibili perché basta solo lo 0,03% di Prl che è sempre

presente a causa dell’equilibrio fotostazionario (98-2, Pr-Prl)

• Risposte a bassa fluenza (LFR)

• Risposta ad alta irradianza (HIR): richiedono alte velocità per tempi prolungati

Risposta Fluenza totale Fotoreversibilità Reciprocità Spettro d’Azione Fotorecettore

VLF 0,0001-0,05 No Si Rosso, Blu phyA (1)

LF 1-100 Si Si Rosso, Rosso L phyB (2)

HI >10 (velocità) No No a) b) a) b)

a) Pianta eziolata: rosso lontano (720nm) con phyA(1) mentre blu e UV-A grazie ai recettori luce blu. Con una

λ=720nm il rapporto Prl/Ptot = 0,03 che è il rapporto ottimale per questi effetti 8

b) Pianta verde: rosso (660nm) grazie a phyB(2) Velocità R/RL

Giorno 1900 1.19

Tramonto 26.5 0.96

5mm nel sottosuolo 8.6 0.88

Sottobosco 17.7 0.13

Dal rapporto R/RL la pianta ha percezione della posizione in cui si trova. In una pianta da sole irraggiata con molta luce

RL si ha poco Prl e l’effetto biologico scatenato è l’inibizione dell’allungamento dell’internodo. Nella pianta d’ombra

questa inibizione non avviene perché è abituata a crescere con poca luce. Una pianta da sole se sente di essere al buio

(R/RL alto) è stimolata a crescere perché non sono le sue condizioni di crescita. Questo fenomeno è detto fuga

dall’ombra. Con poco Prl c’è sitesi e maggior sensibilità all’auxina (stimolo di crescita).

I semi piccoli hanno poche risorse che vengono usate per la germinazione. Se però è molto in profondità c’è il rischio

che esaurisca queste scorte prima di uscire dal suolo. È dunque comune che semi piccoli abbiano bisogno di molta luce

(vicinanza alla superficie) per germinare. Questo effetto può anche avvenire nel sottobosco molto fitto.

Respirazione

→

C H O + 6 O 6 CO + 6 H O. È una reazione esoergonica così da permettere la sintesi di ATP. Si può utilizzare l’amido

6 12 6 2 2 2

(ramificazioni α1-6 e legami α1-4) per ottenere glucosio. Anche il saccarosio, i fruttosani (polimeri di fruttosio legati al

saccarosio), gli acidi grassi, gli acidi organici e gli amminoacidi sono possibili fonti di glucosio. La respirazione è divisa in

tre tappe: glicolisi, ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni.

Nella glicolisi ci sono alcune tappe che differiscono tra piante e

animali: →

Fruttosio-6P + ATP Fruttosio-1,6P + ADP (Fosfofruttochinasi).

Nelle piante esiste una fosfofruttochinasi che usa il pirofosfato

(PP) che catalizza una reazione reversibile (con ATP è irreversibile).

Con le concentrazioni di PP del citosol la reazione è spostata tutta

verso destra.

Dal glucosio si producono 2 Pyr, 2 ATP (nette) e 2 NADH. Il Pyr

supera facilmente la membrana esterna del mitocondrio e

-

attraversa la membrana interna in antiporto con OH (scambio

+

elettroneutro) oppure in simporto con H (sempre elettroneutro).

Nella matrice del mitocondrio il piruvato entra nel ciclo di Krebs. A

seguito di questo ciclo tutto il glucosio si è trasformato in CO . Ad 1

2

glucosio nel mitocondrio corrisponde: 2 ATP, 8 NADH e 2 FADH .

2 9

La catena di trasporto degli elettroni

consuma NADH e FADH per

2

trasformare O in H O. Gli elettroni

2 2

vanno dalla coppia NAD/NADH (-32V)

ad O /H O (+1,2V). Il complesso IV è

2 2 -

inibito da CO e CN . Il NADH non

riesce ad attraversare la membrana

interna del mitocondrio. Nelle piante

ci sono delle deidrogenasi che ri-

ossidano NADH e NADPH citosolici

così da superare il problema dell’impermeabilità della membrana interna al NADPH. Queste deidrogenasi scaricano

elettroni direttamente sull’ubichinone. Negli animali ci sono dei maccanismi sh