Fisiologia Vegetale

FISIOLOGIA

VEGETALE 2

PROGRAMMA DEL CORSO DI FISIOLOGIA VEGETALE

- L’acqua e le cellule vegetali

- Il bilancio idrico delle piante

- La nutrizione minerale

- Il trasporto dei soluti

- Fotosintesi: le reazioni alla luce

- Fotosintesi: le reazioni del carbonio

- Traslocazione nel floema

- Assimilazione dei nutrienti minerali

- Il fitocromo e lo sviluppo delle piante regolato dalla luce

- Risposte alla luce blu: morfogenesi e movimento degli stomi

- Auxina: il primo ormone vegetale della crescita ad essere scoperto

- Etilene

- Acido abscissico: l’ormone della maturazione del seme e di risposta allo stress 3

4

L’ACQUA E LE CELLULE VEGETALI

L’acqua gioca un ruolo fondamentale nella vita dei vegetali. Per ogni grammo di sostanza organica formata

dalle piante sono assorbiti circa 500 grammi d’acqua dalle radici, trasportati attraverso il fusto e le radici e

perse nell’atmosfera. Anche piccoli perturbamenti in questo flusso d’acqua possono causare deficit idrici e

danni consistenti a numerosi processi cellulari. Così in ogni pianta il bilancio fra l’acqua assunta e quella

persa è un processo delicato e rappresenta una vera e propria sfida per le piante terrestri.

La principale differenza fra le cellule vegetali e quelle animali, che influisce praticamente su tutti gli aspetti

delle loro relazioni con l’acqua, è la presenza della parete cellulare vegetale. Le pareti cellulari consentono

alle cellule vegetali di generare una gran pressione intracellulare, definita pressione di turgore. Tale

pressione è essenziale per numerosi processi fisiologici quali l’espressione cellulare, lo scambio gassoso nelle

foglie, il trasporto floematico e numerosi processi di trasporto attraverso le membrane. La pressione di

turgore contribuisce anche alla rigidità e alla stabilità meccanica dei tessuti non lignificati.

La maggior parte dell’acqua assorbita dalle radici (≈ 97%) viene trasportata attraverso la pianta ed

evaporata dalla superficie delle foglie. Tale perdita d’acqua dalla superficie della pianta è definita

traspirazione. Inoltre, solo una piccola quantità di acqua assorbita dalle radici rimane nella pianta per

supportare l’accrescimento (≈ 2%) o per essere utilizzata nella fotosintesi o in altri processi metabolici (≈

1%).

L’acqua è l’elemento più abbondante in una pianta, ma anche il più limitante la produttività degli ecosistemi.

Serve per tutti i processi biochimici che la richiedono:

- Trasportare soluti dal terreno a radici e foglie

- Crescita, sostegno (turgore)

- Mantenere bassa la temperatura fogliare

- Acquisizione CO 2

Di tutte le risorse di cui la pianta necessita per crescere e funzionare, l’acqua è la più abbondante e, allo

stesso tempo, la più limitante (questa è la ragione per cui si attua l’irrigazione per le coltivazioni e per cui

l’acqua limita anche la produttività negli ecosistemi naturali).

La ragione per cui l’acqua è spesso un fattore limitante per le piante, ma raramente per gli animali, è che i

vegetali utilizzano acqua in quantità enormi. Questa incredibile “sete” è la conseguenza diretta

dell’assorbimento per diffusione della CO fotosintetica. La perdita d’acqua nell’atmosfera è l’inevitabile

2

conseguenza del processo fotosintetico. L’assorbimento della CO è accoppiato alla perdita d’acqua, poiché le

2

piante non hanno mai differenziato un tessuto selettivamente permeabile alla CO e non all’acqua. A

2

complicare questo problema vi è il fatto che il gradiente di concentrazione per la perdita d’acqua dalle foglie

è molto più grande di quello per l’assorbimento della CO .

2

In piante sane e ben idratate, un tipico rapporto di scambio è dell’ordine di 500 molecole d’acqua per ogni

molecola di CO incorporata. Questo scambio sfavorevole ha avuto un peso notevole sull’evoluzione delle

2

forme e delle funzioni delle piante e spiega perché l’acqua giochi un ruolo così importante nella fisiologia

vegetale.

L’acqua è una molecola semplice con caratteristiche complesse. Proprietà dell’acqua:

- Ottimo solvente polare (legami H)

- Alto calore di evaporazione (liquido gas)

→

- Alta coesione

- Adesione a superfici polari

- Tensione superficiale (minimizza la superficie esposta all’aria)

- Alta viscosità

La molecola d’acqua è costituita da un atomo di ossigeno legato covalentemente a due atomi di idrogeno. I

2 legami O-H formano un angolo di 105°. Poiché l’atomo di ossigeno è più elettronegativo di quello di

idrogeno, esso tende ad attrarre gli elettroni del legame covalente. Questo porta ad una parziale carica

negativa sulla parte della molecola che contiene l’ossigeno e ad una parziale carica positiva su ogni atomo di

idrogeno. Queste cariche parziali sono equivalenti, così la molecola d’acqua non possiede una carica netta.

Questa separazione parziale delle cariche, insieme alla forma della molecola d’acqua, rende l’acqua una

molecola polare e le cariche parziali opposte fra le molecole d’acqua vicinali tendono ad attrarsi

reciprocamente. L’attrazione elettrostatica debole fra le molecole d’acqua è conosciuta come legame

idrogeno ed è responsabile delle numerose e uniche proprietà fisiche dell’acqua. 5

La presenza di legami idrogeno spiega molte caratteristiche peculiari dell’acqua:

- Alto calore specifico Calore specifico = Energia richiesta per innalzare la temperatura di una sostanza

→

di un certo valore. Si misura in cal, pari alla quantità necessaria per portare la temperatura di 1 g

d’acqua distillata da 14.5°C a 15.5°C, alla pressione atmosferica normale (piccola c). Nel SI la quantità

di calore si misura in joule (1 cal = 4,1855 J).

- Alto calore latente di evaporazione Calore latente di evaporazione = Energia richiesta per

→

cambiamento di fase, da liquida a gassosa (si verifica durante la traspirazione). Si misura in J/mol.

Dipende da 2 variabili: temperatura e pressione; a 25°C = 44kJ/mol, il più alto valore conosciuto per un

liquido.

- Alta tensione superficiale Tensione superficiale = energia richiesta per aumentare l’interfaccia gas –

→

2

liquido. Si misura in J/m . Le molecole d’acqua all’interfaccia aria/acqua sentono la forte attrazione da

parte delle molecole d’acqua (coesione), mentre interagiscono debolmente con le molecole di ossigeno e

azoto. L’attrazione tende a minimizzare la superficie tre aria e acqua. Per creare nuova superficie occorre

spendere energia (e spezzare i legami H).

- Alta coesione Coesione = Attrazione reciproca fra le molecole. = Angolo di contatto, angolo fra la

→ Θ

superficie.

- Adesione a superficie polari Adesione = Attrazione dell’acqua nei confronti di una fase solida.

→

Θ = Angolo di contatto. Angolo fra la superficie solida (attraverso il liquido) e l’interfaccia gas-liquido. È un

parametro che descrive coesione e adesione.

La coesione insieme all’adesione e alla tensione superficiale genera il fenomeno della capillarità.

!!!"#$

Equazione di Young: = ×

!

Θ = 0 Le forze adesive eguagliano le forse coesive: capillari di vetro liscio, regolare, con pareti in cui sono

→

esposti gruppi polari.

Θ = 90° Le forze adesive sono ½ delle forze coesive; non si forma alcun menisco (es. acqua-propilene)

→

Θ > 90° Le forze adesive sono < ½ delle forze coesive. Si verifica una depressione (es. mercurio)

→

Si può calcolare l’altezza della risalita per capillarità considerando che essa è il bilanciamento di 2 forze: forza

di gravità (che spinge verso il basso) e tensione superficiale (che spinge verso l’alto).

Abbiamo appreso che le proprietà di coesione, adesione e tensione superficiale dell’acqua danno origine al

fenomeno della capillarità. Più piccolo è il tubo, maggiore sarà la salita per capillarità, che può essere

calcolata con la formula: !! !

14.9 × 10

à =

dove sia la salita per capillarità, sia il raggio sono espressi in metri.

In un vaso xilematico del raggio di 25 µm la salita per capillarità equivale a circa 0.6 m. Questa distanza è

troppo piccola per essere significativa se consideriamo il trasporto dell’acqua in alberi di alto fusto; la

struttura dei vasi xilematici può fare molto di più! Materiali fibrosi come le pareti cellulari possono agire da

“stoppini” capaci di risucchiare l’acqua per capillarità dai vicini vasi xilematici. Tale capacità permette alle

superfici delle pareti cellulari direttamente esposte all’aria, come quelle delle cellule del mesofillo, di

rimanere umide e di non seccare. Poiché la capillarità nelle pareti cellulari è caratterizzata da pori con un

-8

raggio molto piccolo, circa 10 metri, si generano nell’acqua, appena sotto la superficie di evaporazione delle

pareti cellulari, forze fisiche molto elevate. Possiamo dimostrare il fenomeno della capillarità osservando

cosa capita a liquidi posti alla base di un capillare posto in

posizione verticale.

Se le pareti sono bagnabili la forza netta è verso l’alto. La

colonna d’acqua s’innalzerà fino a quando questa forza verso

l’alto sarà bilanciata dal peso stesso della colonna d’acqua.

Se invece il liquido non bagna le pareti, il menisco avrà una

curvatura verso il basso e la forza risultante dalla tensione

superficiale abbasserà il livello del liquido nel tubo. 6

! ! !"#$

ℎ =

Risalita per capillarità dell’acqua su un capillare di vetro: ! ! !

Dove: 2

- s = tensione superficiale dell’acqua a 20°C = 0.0728 N/m

→

- r = diametro del capillare in metri 2

- g = accelerazione di gravità 9.8 m/s

→ 3

- ρ = densità dell’acqua a 20°C = 998 kg/m

→

Se poniamo, per approssimazione, che l’angolo q sia uguale a 0 (quindi cosq = 1) e sostituiamo i valori

otteniamo: !! !! !

2 × 0.0728 1.4 × 10

ℎ = =

!! !!

× 9.8 × 998

La disposizione delle microfibrille di cellulosa nella parete primaria e secondaria delle piante porta alla

formazione di diversi interstizi attraverso i quali l’acqua può salire per capillarità.

Ai fenomeni di capillarità si riconducono molti fenomeni naturali come l’imbibizione dei corpi spugnosi e il

fenomeno della salita della linfa nelle piante. Alcune tecniche come la cromatografia su carta e la

cromatografia su strato sottile si basano sul fenomeno della capillarità.

L’acqua possiede grande forza di tensione, cioè la capacità di resistere a forze di trazione.

La forza di tensione può essere dimostrata inserendo

dell’acqua in una siringa incappucciata, utilizzandola per

generare pressioni positive e negative.

Premendo il pistone il fluido si comprime e si genera una

pressione idrostatica positiva che agisce nella stessa

direzione della forza all’interfaccia che risulta dalla

tensione superficiale. Se viene intrappolata una piccola

bolla d’aria all’interno della siringa la si può vedere

restringere man mano che la pressione aumenta.

Tirando il pistone si genera sul fluido una tensione, o

pressione negativa. Se la siringa contiene una qualsiasi

bolla d’aria essa si espanderà se la forza verso l’esterno

della bolla causata dal fluido sarà maggiore della forza

verso l’interno causata dalla tensione superficiale

dell’interfaccia gas-liquido.

de forze di tensione, cioè resistenza alla

trazione Unità di pressione Confronto fra diverse unità di pressione

La pressione è misurata in unità definite Pa o MPa. La pressione equivale alla forza

per unità di superficie e all’energia per unità di volume.

1 Pa= 1 N m-2

ricordando che 1J = 1N m

vale anche: 1Pa= 1J m-3

1MPa= 9.9 atm

a una pressione negativa (tensione)

L’acqua sotto tensione è in uno stato metastabile: uno stato in cui un cambiamento può avvenire, ma non

d’acqua a un certo punto si rompe (20-30 MPa)

avviene senza impulso esterno (es. bollicine che possono unirsi e formare un embolo).

Quanto forte bisogna tirare il pistone prima che le molecole d’acqua vengano separate le une dalle altre e la

colonna d’acqua si spezzi?

Per spezzare la colonna d’acqua occorre un’energia sufficiente per spezzare i legami idrogeno che

attraggono le molecole d’acqua le une alle altre. Studi sperimentali hanno dimostrato che l’acqua può

resistere, in piccoli capillari, a tensioni più negative di -30 MPa (il segno negativo indica tensione, l’inverso

7

della compressione). Questo valore è circa 1/3 della forza teorica calcolata sulla base della forza dei legami

idrogeno, tuttavia è molto sostanziale.

La presenza di bolle di gas riduce la forza di tensione della colonna d’acqua. Per esempio, nella siringa bolle

microscopiche possono interferire con la capacità dell’acqua di resistere alla forza traente del pistone. Se

anche una piccola bolla di gas si forma in una colonna d’acqua sotto tensione, la bolla di gas si espanderà

indefinitamente, portando al collasso della tensione nella fase liquida, un fenomeno noto come cavitazione.

La viscosità indica la resistenza a fluire fra strati della stessa sostanza. I legami a idrogeno possono ridurre

lo scorrimento di livelli paralleli di acqua. La viscosità dell’acqua è relativamente alta, rispetto a solventi che

non hanno, o hanno pochi, legami a idrogeno. La viscosità dell’acqua diminuisce con la temperatura

(aumento agitazione termica e rottura legami idrogeno).

L’obiettivo è quello di capire i meccanismi attraverso i quali si ha spostamento dell’acqua e dei soluti:

- All’interno della cellula o fra cellula adiacenti

- Su scala maggiore, a livello dell’intera pianta

I processi di trasporto dell’acqua

La diffusione è il movimento spontaneo di sostanze provenienti da regioni a concentrazione maggiore verso

regioni a concentrazione minore. Fino a quando non vi è l’azione di altre forze sulle molecole, permette il

movimento secondo il gradiente di concentrazione.

La velocità di trasporto del soluto tramite diffusione è direttamente proporzionale al gradiente di

concentrazione, cioè alla differenza di concentrazione delle sostanza fra due punti separati da una distanza

x. ∆!

!

= −

Prima legge di Fick: ! ! ∆!

Dove:

J = Densità di flusso del soluto s (quantità in moli di soluto che attraversa l’unità di superficie per unità di

s

tempo).

D = Coefficiente di diffusione (è una costante di proporzionalità che misura la facilità di una sostanza di

s

muoversi attraverso un particolare mezzo; è caratteristico di ogni sostanza; dipende sia dal mezzo che dalla

2

temperatura). Si misura in m /s.

Il segno negativo nell’equazione indica che il flusso si sposta secondo i gradienti di concentrazione. Secondo

la prima legge di Fick una sostanza diffonde più velocemente quando aumenta il coefficiente di diffusione.

Questa equazione è valida solo per il movimento in risposta ad un gradiente di concentrazione e non per

quello dovuto ad altre forze.

Valori di D in acqua:

s -9

- Alanina 0.92 x 10

→ -9

- Citrato 0.66 x 10

→ -9

- Glucosio 0.67 x 10

→ -9

- Saccarosio 0.52 x 10

→

2+ - -9

- Ca (con Cl ) 1.52 x 10

→ -9

- CO 0.92 x 10

→

2 -10

- Proteina 15 KDa ≈ 1 x 10

→

In aria: -5

- CO 1.5 x 10

→

2 -5

- H O 2.4 x 10

→

2

Il coefficiente di diffusione di un composto è tipicamente ≈ 10.000 volte più grande in aria che in acqua.

2

Il tempo (per una sostanza s) per diffondere a una distanza L è proporzionale a L /D .

s

-9

Problema 1: Qual è il tempo medio per una molecola di glucosio (D = 10 m/s) per diffondere attraverso

s

una cellula di 50 mm di diametro? E qual è, in queste condizioni, il tempo per coprire la distanza di 1m? 8

!

!" !!

Tempo per diffondere = = 2.5

!! !

!" ! /! !

! !

Tempo per coprire la distanza di 1 m = = 32 anni

!! !

!" ! /!

La diffusione è efficace per brevi distanze.

Se la “driving force” è il gradiente di concentrazione, tale gradiente viene dissipato con il tempo e le

differenze di concentrazione si smorzano (la pendenza della curva diminuisce).

Analizzando la diffusione dal punto di vista termodinamico…

ENERGIA: BIOLOGIA= MONETA: ECONOMIA

L’entropia è il grado di disordine del sistema, la quantità di energia del sistema che non è disponibile per

compiere lavoro. L’entropia è un indice di esaurimento: per un sistema, maggiore è la perdita di capacità di

Pensiamo alla diffusione in termini termodinamici

cambiamento spontaneo maggiore è la sua entropia.

Secondo principio della termodinamica Lo scopo di

→

tutti i processi spontanei è quello di aumentare l’entropia di

un sistema più il suo intorno. Il secondo principio ci dice,

spontaneamente, un processo potrà avvenire