Ecofisiologia vegetale, prof. Cerana

Ripasso fotosintesi

Introduzione alla fotosintesi

Fotosintesi: produzione di sostanza organica utilizzando energia luminosa. Reazione generale: 6H₂O + 6CO₂ → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Fase luminosa (tilacoidale)

Sono coinvolti il P₆₈₀ (II) e il P₇₀₀ (I). I due PS sono localizzati nei grana (II) e nelle lamelle intergranali (I).

Equazione di Hill: H₂O + NADP⁺ + ADP + P → ½ O₂ + NADPH + ATP

Rendimento quantico: La RQ teorica è di 1/8 (0,125) poiché 2H₂O → 4e^- + 4H⁺ + O₂ (x2 fotosistemi). Sperimentalmente si è misurata una RQ di circa 1/10 (0,1).

Fase oscura (stromatica)

La RubisCO catalizza la prima reazione:

• Rub-1,5P + CO₂ → 3-PGA (Carbossilazione)
• 2 3-PGA + 2ATP → 2 1,3-PGA + 2ADP (Riduzione)
• 2 1,3-PGA + 2NADPH → 2 Gliceraldeide-3P + 2P + 2NADP⁺ (Riduzione)

Ora segue la tappa di rigenerazione (C3 → C5) che consuma 1ATP.

Fotorespirazione

Con 2 2-fosfoglicolato recupero un C3. Quindi perdo il 25% di C in CO₂ ma ne recupero il 75%. La fotorespirazione consuma anche 1ATP. In questo processo c’è anche un gruppo -NH₂⁺ che deve essere riorganizzato (consumo 1ATP e un equivalente NADP⁺). La fotorespirazione abbassa il rendimento della fotosintesi.

Per evitare che la RubisCO agisca come ossigenasi, le piante hanno evoluto meccanismi di concentrazione della CO₂ che consumano ATP (C4 e CAM).

Ottimizzazione assorbimento della luce

I due fotosistemi lavorano in concerto. Il PSII riduce il pool dei plastochinoni (trasportatori di elettroni) e attraverso il Cyt-b_6f e la plastocianina il PSI recupera gli elettroni.

Effetto Emerson

Anche detto “Effetto potenziamento”. Si costruisce la tabella di Attività Relativa Fotosintetica.

LUCE ARFR < 680NM 1RL > 680NM 1R + RL >2 È detto effetto potenziamento perché c’è una sinergia dei due tipi di luce. Questi esperimenti hanno portato alla scoperta dei due fotosistemi. In un cloroplasto normale PSII / PSI = 1,5. La qualità della luce varia in base all’ambiente e nell’arco della giornata.

Ridimensione dell’energia

Meccanismo molecolare che agisce tra i due fotosistemi. Il PSII ha legato la sua antenna (LHC II). Se il PSII è il più eccitato dei due, il rapporto PQH₂ / PQ aumenta e in questa condizione si attiva una proteina chinasi che fosforila una treonina del LHC II. Questo fa si che la parte mobile del LHC II si associ al PSI. Nel momento in cui è il PSI il più eccitato, il rapporto PQH₂ / PQ diminuisce e la proteina chinasi si disattiva. In questa condizione una fosfatasi toglie il gruppo fosfato dal LHC II che torna così nella sua posizione originaria. Questo meccanismo serve a ridurre il carico sul PSII.

Anatomia fogliare

Si considera una normale foglia bifacciale di una dicotiledone. L’epidermide superiore generalmente non assorbe la luce fotosinteticamente attiva (400-700nm). Tuttavia, le cellule di questo tratto hanno una forma di lente (soprattutto nelle piante erbacee) che permette la focalizzazione della luce all’interno della foglia. Sotto l’epidermide superiore ci sono da 1 a 3 strati di mesofillo a palizzata. Sotto di esso c’è invece il mesofillo spugnoso con interfaccia aria-acqua. La regolarità del palizzata da origine all’effetto setaccio e all’effetto guida della luce.

• Effetto setaccio: i cloroplasti confinati nel citosol si mascherano tra di loro. Qualche raggio luminoso viene catturato mentre gli altri penetrano negli strati più profondi. Più strati di palizzata aumentano la possibilità che il raggio sia catturato.
• Effetto guida della luce: la luce incidente che passa negli spazi intercellulari viene incanalata verso l’interno della foglia. Il raggio luminoso nello strato spugnoso viene riflesso e rifratto. Questo aumenta il percorso della luce nella foglia (Light Scattering) di 4 volte rispetto allo spessore della foglia stessa; si aumenta dunque la probabilità che il raggio sia assorbito.

Movimento dei cloroplasti

Il movimento dei cloroplasti si trova in tutte le piante, muschi e addirittura alghe. I cloroplasti si muovono lungo i filamenti di actina in risposta a luce blu. Con luce fioca i cloroplasti si dispongono paralleli alla superficie fogliare (perpendicolare ai raggi incidenti). In piena luce i cloroplasti si mettono perpendicolari alla superficie; in questo modo i cloroplasti riducono del 15% la quantità di raggi incidenti.

Movimento della lamina fogliare

Alcune piante hanno le foglie mobili (soia, lupino, cotone). Il movimento è dettato dalla luce blu ed è dovuto al pulvino. Esso è un organo cilindrico all’intersezione tra lamina e picciolo oppure all’intersezione tra picciolo e fusto. Nel parenchima ci sono le cellule motrici del pulvino superiori e inferiori. Queste cellule cambiano il proprio turgore (un gruppo si gonfia, l’altro si affloscia) a seconda del proprio carico idrico.

Ψ = Ψ_s + Ψ_p = -π + P.

Per aumentare il turgore lo Ψ deve diminuire e ciò avviene perché Ψ_s diminuisce in quanto aumentano le concentrazioni di cloro e potassio. Il ΔE stimola l’ingresso di potassio (come negli stomi) mentre il cloro (e in generale gli anioni) entra in simporto con protoni in rapporto 1:2 (Cl/H). Nelle cellule che perdono il turgore l’acqua deve uscire e dunque lo Ψ deve aumentare. Ciò avviene perché la concentrazione di cloro e potassio diminuisce grazie al fatto che la pompa H-ATPasi è inibita e quindi il ΔE aumenta (depolarizzazione). La depolarizzazione fa aprire i canali per l’uscita di questi due ioni. Le piante con foglie non stazionarie presentano l’eliotropismo positivo con movimento “diaeliotropico”. La foglia è sempre mantenuta perpendicolare alla luce incidente con un’accuratezza di 15°. Durante la notte la foglia è parallela al suolo e circa 1h prima dell’alba si riposiziona verso est. Se il cielo è coperto le foglie sono ferme. Le foglie possono muoversi con una velocità di circa 90°/h. Questo fenomeno amplia il periodo di assorbimento ottimale della radiazione. Nel genere Astragalus c’è movimento paraeliotropico (eliotropismo negativo) in cui le foglie stanno parallele ai raggi. Se c’è acqua disponibile la foglia insegue il sole.

Confronto C3 – C4

C3: Al buio le cellule respirano e quindi c’è produzione di CO₂. Ad y=0 la fissazione netta di CO₂ è uguale a 0 e questo punto è detto “Punto di compensazione della luce”. Con intensità di luce inferiore al punto di compensazione la fissazione netta è negativa. La saturazione, in ambienti intermedi, si raggiunge a 500-1000 µmol di fotoni per m² di foglia al secondo. Quando la CO₂ diventa il fattore limitante sono coinvolte la RubisCO o il metabolismo dei trioso-fosfati.

C4: non c’è la saturazione; la CO₂ non è quindi mai limitante nemmeno in “Piena luce solare”. Con questo termine si indica avere 1900 µmol di fotoni per m² di foglia al secondo. Nelle C4 la 3-PEP-Carbossilasi utilizza come substrato HCO₃^-. La prima reazione è:

• 3-PEP + HCO₃^- → OAA + P.

CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ H⁺ + HCO₃^-, questo equilibrio è spostato verso il carbonato che nella foglia raggiunge concentrazioni quasi 10 volte superiori a quelle della CO₂.

Si ha poi la concentrazione della CO₂ per la RubisCO e si passa da 8 μM fino a quasi 60 μM. Questi due meccanismi fanno si che nelle C4 la CO₂ non sia mai limitante. Inoltre, dato che questi meccanismi sono dispendiosi, la luce non è mai saturante. Tra C3 e C4 non c’è differenza nel punto di compensazione.

Resa quantica

La resa quantica massima la si calcola nel punto di massima pendenza della curva.

= = 0,125() − 0,1 () = = 0,08()

Più una C3 fotorespira e più la sua RQ si abbassa. La resa varia tanto più diminuisce il rapporto CO₂/O₂ e quindi il rapporto Carbossilasi/Ossigenasi. Nelle C4 la RQ non è influenzata da questi fattori perché non c’è fotorespirazione. Con O₂ < 2% la fotorespirazione non funziona. Aumentando la CO₂ la RQ si avvicina al valore teorico.

Effetto temperatura

Se la temperatura aumenta si ha più fotorespirazione perché:

15°C 25°C 35°C

α (coefficiente di Bunsen) della CO₂ diminuisce di più della

α dell’O₂. La temperatura influisce anche sulla K_M della CO₂ (aumenta); quindi l’affinità della RubisCO per la CO₂ diminuisce. Come conseguenza di questi due effetti la RQ della C3 diminuisce all’aumentare della temperatura. Nelle C4 la temperatura non influisce sulla RQ. Sotto i 30°C le C3 hanno una RQ maggiore delle C4. Le C4 sono originarie delle regioni tropicali e sub-tropicali, infatti a temperature superiori a 32°C sono più performanti. In un sistema complesso come una pianta solo poche foglie ricevono la piena luce e quindi a livello di pianta la fotosintesi aumenta sempre all’aumentare della radiazione.

Effetti CO₂

In atmosfera la CO₂ ha raggiunto valori intorno ai 400ppm. Il “Punto di compensazione della CO₂” è il punto in cui la fissazione netta è pari a 0. Anche con concentrazioni di CO₂ molto superiori di quelle atmosferiche la fissazione non è mai saturata. La C4 riesce a riutilizzare per la fotosintesi la CO₂ respiratoria ed infatti la fissazione per queste piante non è mai negativa. Per le C4 il punto di compensazione è tra 0 e 5 μL/L diversamente da 40 e oltre delle C3. La fotosintesi della C4 è saturata quando la concentrazione intracellulare di questo gas è in equilibrio con la concentrazione atmosferica. Una C3 trattata con 1% di O₂ (blocco fotorespirazione) ha una curva simile a quella della C4 (punto di compensazione abbassato e fotosintesi che va a saturazione).

Piante da sole e ombra

Le piante da sole sono dette eliofile mentre quelle d’ombra sono dette sciafile. Le piante da sole vivono in ambienti esposti (habitat di origine) mentre le sciafile sono originarie di ambienti con bassa intensità di luce come il sottobosco. La pianta d’ombra ha tassi di respirazione più bassi della pianta da sole. Il punto di compensazione per la luce delle piante d’ombra è di conseguenza più basso rispetto al caso delle eliofile. In particolare, i punti di compensazione sono compresi tra 1-5 μmol/m²s (sciafile) e 10-20 μmol/m²s (eliofile). Entrambe le piante presentano saturazione (se C3). La foglia eliofila va a saturazione tra 800-1000 μmol/m²s mentre la sciafila ha un punto di saturazione attorno a 200 μmol/m²s. Le intensità di luce a cui c’è saturazione rispecchiano le intensità di luce che la pianta ritrova nel suo habitat nativo. L’attività fotosintetica massima delle sciafile produce meno sostanza organica e quindi si giustifica il tasso di respirazione più basso. Inoltre, le piante sciafile sono mediamente più piccole delle eliofile.

Adattamenti

Le considerazioni fatte sopra sono un adattamento genetico alle condizioni di luce prevalenti nell’habitat di origine. Acclimatazione: adattamento alle condizioni di luce che la pianta incontra durante la crescita. La pianta è in grado di acclimatarsi alle condizioni di luce che trova. Una pianta eliofila acclimatandosi può comportarsi come una sciafila. Una pianta eliofila cresciuta al buio ha punti di saturazione più bassi del normale. L’acclimatazione alla luce la si trova anche in alghe verdi.

Differenze morfologiche

Sulla stessa pianta possono esserci sia foglie da sole che d’ombra. Le foglie eliofile sono più spesse perché le cellule del palizzata sono più grosse e sono spesso pluristratificate (2 max 3 strati). Le foglie sciafile hanno un solo strato di palizzata.

Cloroplasti

La luce che colpisce un cloroplasto di una foglia sciafila può essere anche 1/100 (circa 17.7 μmol/m²s) della piena luce solare (1900 μmol/m²s). Anche la qualità della luce cambia perché nel sottobosco c’è poca luce rossa (<680nm). A causa di queste due condizioni il cloroplasto è più ricco di clorofilla, in particolare della b. Più clorofilla b serve per massimizzare l’assorbimento del rosso che scarseggia. Aumentano anche le xantofille. Nei cloroplasti sciafili quindi è aumentato il numero di PS II tant’è che il rapporto PS-II / PS-I è 3. C’è inoltre una maggiore sintesi della parte esterna del LHC II (parte mobile). Il PS II si trova nei grana e quindi il cloroplasto d’ombra ha tilacoidi spessi e più appressati, fino a 4 volte più dei tilacoidi di foglie eliofile. L’investimento in pigmenti e membrane ha come controparte la riduzione di plastochinoni, plastocianine, cyt-b_6f e ferredossina. C’è inoltre meno ATPsintasi e RubisCO. Nella stessa foglia posso avere entrambi i tipi di cloroplasti.

Stress luminoso

Fotoinibizione

La luce inibisce la fotosintesi se l’energia luminosa è in eccesso rispetto a quella utilizzata dalla fotosintesi. Per una pianta sciafila si ha fotoinibizione quando riceve molta più luce rispetto a quella che è abituata a ricevere. In una pianta eliofila la fotoinibizione si ha in particolari condizioni: alla luce si produce NADPH che viene consumato nel ciclo di Calvin. Se il ciclo è bloccato si ha eccesso di NADPH e di conseguenza anche il trasporto di elettroni fotosintetici si blocca (non ci sono accettori liberi). In questa situazione i centri di reazione sono chiusi e dunque si è in condizione di fotoinibizione per una pianta eliofila. Le condizioni di fotoinibizione sono:

• Alte/basse temperature: gli enzimi non lavorano bene
• Stomi chiusi: c’è poca CO₂. Questo avviene in condizioni di stress idrico e/o salino

Fotoinibizione dinamica

Diminuisce la resa quantica.

Fotoinibizione cronica

Diminuisce la resa quantica e l’attività massima fotosintetica. Questo perché si è danneggiato l’apparato fotosintetico. Il PSII è quello più soggetto a fotoinibizione. La pianta si protegge diminuendo l’assorbimento di luce o dissipando l’eccesso di luce.

Diminuzione assorbimento luce

Avviene lo spostamento della parte mobile del LHC II da PS II verso il PS I. Sulla superficie della foglia si possono avere dei tricomi, una cuticola spessa o delle ghiandole saline che riflettono la luce fino al 40%. Un’ulteriore strategia è il movimento dei cloroplasti (-15%). Nelle foglie non stazionarie si ha eliotropismo negativo.

Utilizzo eccesso di energia

Avviene attraverso la fotorespirazione delle C3. Essa rappresenta una valvola di sfogo dell’energia perché il Ribulosio-1,5P reagendo con O₂ produce 3-PGA e il fosfoglicolato (C₂). Due molecole di C₂ rigenerano il 3-PGA. In condizioni di fotoinibizione (bassa CO₂) si usa quindi O₂ per alimentare il ciclo di Calvin. Questo consuma 2 ATP e l’equivalente di un NADPH. La fotorespirazione serve a proteggersi dal fotodanno oltre che essere un efficace adattamento evolutivo.

Dissipazione energia

L’energia viene dissipata sottoforma di calore. In questo caso agiscono i carotenoidi (caroteni + xantofille). Essi possono agire in due modi:

• Intervento diretto: la clf del PS II è in stato eccitato di tripletto. In questo stato l’elettrone eccitato cambia il suo spin originale. La clorofilla reagisce con l’ossigeno che passa in stato di singoletto eccitato. O₂^* è una specie reattiva (vita media 18μs) e provoca una rottura dei doppi legami dei fosfolipidi di membrana, delle basi azotate e delle proteine. Un bersaglio particolare è la proteina D1 (core del PS II). Il carotenoide riceve l’energia sia da clf^* che da O₂^* (preferenzialmente) passando in stato eccitato di tripletto. Il carotenoide eccitato ha un’energia più bassa che viene persa come calore. Affinché il carotenoide funzioni esso deve avere 9 o più doppi legami coniugati (es: β-carotene).
• Ciclo delle xantofille: le molecole coinvolte sono la violaxantina (con 2 gruppi epossido), l’anteraxantina (1 gruppo epossido) e la zeaxantina. In condizioni fotoinibitorie la violaxantina viene de-epossidata a zeaxantina dall’acido ascorbico: Violaxantina + 2 Ac. Ascorbico → Zeaxantina. In condizioni normali la zeaxantina è epossidata a violaxantina usando O₂ e NADPH. La zeaxantina che si forma compete col PS II per ricevere l’eccitazione dal LHC. La zeaxantina eccitata dissipa energia in calore.

La violaxantina è massima al mattino e alla sera. La zeaxantina è massima nelle ore centrali della giornata. Questo ciclo si trova nelle piante e nelle alghe verdi. Le alghe rosse lo presentano con qualche modifica. Nelle conifere, in inverno, la zeaxantina è molta durante tutta la giornata.

Fotoinibizione cronica

Se questi meccanismi non risultano efficaci si arriva alla fotoinibizione cronica col danneggiamento del PS II. I danni sono:

• Ossidazione PS II
• Distruzione D1: si staccano gli atomi di Mn

La proteina D1 ha un turnover 10 volte maggiore del normale proprio perché soggetta a fotodanno.