Fisiologia vegetale

Fisiologia vegetale

L'acqua e le cellule vegetali

L'acqua è fondamentale per la vita di una pianta. Per ogni grammo di materia organica (anidride carbonica organica), sono assorbiti, trasportati e persi nell'atmosfera dalle foglie (traspirazione) 400-500 g di acqua (97%). La cattura di anidride carbonica espone infatti le piante alla disidratazione. Il 3% di acqua restante viene impiegato in altri processi come il mantenimento della pressione di turgore, l'allungamento cellulare e altri processi biochimici.

Struttura e proprietà dell'acqua

L'acqua è una molecola polare con una struttura e delle proprietà uniche. La molecola di acqua è composta da atomi di idrogeno e di ossigeno legati covalentemente (legame covalente polare). Tra due molecole di acqua si formano legami a idrogeno grazie alla polarità delle molecole. L'acqua è un ottimo solvente per sostanze ioniche e molecole che contengono gruppi polari -OH o -NH (es. zuccheri o proteine) grazie proprio alla capacità di queste molecole di formare legami a idrogeno. I legami a idrogeno hanno la possibilità di formarsi e rompersi e questo permette di passare da uno stato della materia a un altro (stato solido-quattro legami, stato liquido-3,5 legami, stato gassoso-zero legami).

La struttura dell’acqua determina particolari proprietà:

• Calore specifico: energia richiesta per innalzare la temperatura di una sostanza di un determinato valore. Per l’acqua 1 cal/g per °C (i legami a idrogeno assorbono parte dell’energia termica, aiutando la pianta a ridurre le fluttuazioni di temperatura);
• Calore latente di vaporizzazione: energia richiesta per separare le molecole di acqua dalla fase liquida alla fase gassosa a temperatura costante (processo che si verifica per esempio durante la traspirazione). Sono richieste 540 calorie per grammo (valore più alto di qualunque sostanza a noi nota);
• Coesione: attrazione reciproca tra le molecole. Le molecole di acqua in un’interfaccia aria-acqua sono più fortemente attratte dalle molecole di acqua vicine, che dalla fase gassosa. La configurazione più stabile è quella che minimizza la superficie all’interfaccia aria-acqua. Per aumentare l’area all’interfaccia aria-acqua, i legami H devono essere rotti tramite l’impiego di energia. L’energia richiesta per aumentare la superficie prende il nome di tensione superficiale;
• Adesione: proprietà correlata alla coesione, attrazione dell’acqua alla fase solida. Il grado con cui l’acqua è attratta verso la fase solida più che verso se stessa è misurato dall’angolo di contatto, che descrive la forma della risultante interfaccia aria-acqua e quindi l’effetto che la tensione superficiale ha sulla pressione nel liquido;

Adesione e tensione superficiale tirano le molecole d’acqua fino a che la forza di risalita viene controbilanciata (equilibrio) dal peso della colonna d’acqua (capillarità). A causa della coesione data dai legami idrogeno l’acqua possiede un’elevata forza tensile, che è la forza massima per unità di area che una colonna continua d’acqua può reggere prima di rompersi. Quando spingiamo l’acqua in una siringa, l’acqua è compressa e si sviluppa una pressione idrostatica positiva (MPa). Quando tiriamo si sviluppa invece una pressione idrostatica negativa (tensione). L’acqua in piccoli capillari può resistere a tensioni più negative di -20 MPa (1 MPa=9,9 atm).

La presenza di bolle riduce la forza tensile. Bolle microscopiche possono interferire con l’abilità dell’acqua di resistere alla trazione, espandendosi fino a che la tensione nella fase liquida collassa. Questo fenomeno è conosciuto come cavitazione che ha effetti devastanti sul trasporto dell’acqua attraverso lo xilema.

Processi di trasporto dell'acqua nella pianta

Modalità di trasporto

Diffusione: la costante agitazione termica delle molecole tende a pareggiare qualsiasi differenza di concentrazione. Il tempo medio per diffondere aumenta in proporzione al quadrato della distanza (prima legge di Fick). La velocità per diffondere è spiegata dalla prima legge di Fick:

Δ[C]/Δx=-D * J, dove J indica il flusso (moli per unità di area per unità di tempo), Δ[C]/Δx è la variazione di concentrazione in funzione della distanza (quindi il gradiente di concentrazione) e D è il coefficiente di diffusione, caratteristico per ogni sostanza, misura quanto facilmente una sostanza si muove attraverso un mezzo (m²s^-1) o meglio la resistenza alla diffusione in un particolare ambiente. Il segno meno indica che la direzione del flusso è [C] alta → [C] bassa.

Dall'equazione di Fick si può derivare il tempo impiegato da una sostanza per diffondere ad una particolare distanza:

distanza² = t_c=1/2 * K/D, dove t è la metà del valore di concentrazione del punto di partenza, D è il coefficiente di diffusione e K è la costante che dipende dalla geometria del sistema. Il tempo medio per diffondere aumenta in proporzione al quadrato della distanza.

Esempio per brevi distanze (cellula) - D del glucosio in acqua: 10^-9 m²s^-1

Dimensioni cellulari: 50 μm, K: 1, Quindi t_c=1/2: 2,5 s

Esempio per le lunghe distanze (foglia di mais)

Distanza: 1 m - D del glucosio: 10^-9 m²s^-1

K: 1, Quindi t_c=1/2: 32 anni

Flusso di massa: descritto dall'equazione di Poiseuille

J = (πr⁴/8η) * (ΔΨ_p/Δx), dove r è il raggio della tubatura, η è la viscosità del liquido (per l’acqua corrisponde a 10^-9 MPa s) e ΔΨ_p/Δx è il gradiente di pressione. Se consideriamo il flusso di massa attraverso un tubo, la velocità del flusso dipende dal raggio del tubo, dalla viscosità del liquido e dal gradiente di pressione che guida il flusso. Se il raggio raddoppia, la velocità del flusso aumenterà di un fattore 16.

Osmosi: le membrane cellulari sono selettivamente permeabili. Nella diffusione semplice le sostanze si muovono secondo un gradiente di concentrazione, nel flusso di massa secondo un gradiente di pressione e nell'osmosi entrambi i gradienti determinano direzione e velocità del flusso.

Quindi va discusso il concetto di driving force composta, che rappresenta il gradiente di energia libera legato all’acqua (potenziale idrico). Il potenziale chimico è l’espressione quantitativa dell’energia libera (termodinamica: energia potenziale per compiere un lavoro) associata ad una sostanza. Il potenziale chimico dell’acqua è l’espressione quantitativa dell’energia libera legata all’acqua. Per ragioni storiche in fisiologia vegetale si usa un parametro correlato chiamato potenziale idrico, che è l’energia libera associata all’acqua (vuol dire che l’acqua scorre spontaneamente, senza input di energia, da zone a potenziale idrico maggiore a zone a potenziale idrico minore). Il potenziale idrico si misura in J m^-3 (equivalente alle unità di pressione come il Pascal).

L'equazione del potenziale idrico è la seguente:

Ψ_w = Ψ_s + Ψ_p + Ψ_g, dove Ψ_s, Ψ_p e Ψ_g denotano gli effetti di soluti, pressione e gravità rispettivamente sull’energia libera dell’acqua.

A cosa serve la misura di Ψ_w?

• Valutare lo stato idrico della pianta;
• Definire la direzione del flusso idrico attraverso le membrane cellulari, i tessuti e gli organi della pianta.

Ψ_s è chiamato potenziale dei soluti o potenziale osmotico. Rappresenta l’effetto dei soluti disciolti sul potenziale idrico. I soluti riducono l’energia libera dell’acqua e Ψ_s è sempre negativo. Miscelare acqua e soluti aumenta il disordine del sistema (entropia) e perciò abbassa l’energia libera. Il potenziale osmotico è indipendente dalla natura specifica del soluto.

Ψ_p si riferisce alla pressione idrostatica ed è misurato come la deviazione dalla pressione ambientale. L’acqua pura in un becher aperto ha pressione 0 MPa (anche se la pressione assoluta è 0,1 MPa, cioè 1 atm). La pressione idrostatica positiva all’interno delle cellule è definita pressione di turgore. Il valore può anche essere negativo, come nel caso dello xilema e delle pareti tra le cellule.

Ψ_g è la gravità che fa muovere l’acqua verso il basso, a meno che non si opponga una forza uguale ed opposta. Una distanza verticale di 10 m si traduce in una variazione di potenziale idrico di 0,1 MPa. A livello cellulare Ψ_g è omesso.

In terreni aridi ed in tessuti molto secchi, come i semi, si può fare riferimento al potenziale di matrice, Ψ_m. Qui l’acqua esiste come una sottile pellicola (spessa una o due molecole) legata alla superficie solida da interazioni elettrostatiche non facilmente separabili in Ψ_s e Ψ_p e pertanto combinante in un singolo termine, Ψ_m.

Il flusso d'acqua è un processo passivo

L’acqua attraversa le membrane e scorre in risposta a forze fisiche da zone di potenziale idrico maggiore verso zone a potenziale idrico minore. L’acqua passa attraverso le membrane grazie alla presenza su di esse di particolari proteine, le acquaporine (proteine integrali di membrana) che facilitano il movimento dell’acqua ma non la direzione. Queste proteine sono regolate tramite fosforilazione in risposta a parametri fisiologici quali pH intercellulare e concentrazione di Ca²⁺.

L’acqua entra nella cellula secondo un gradiente di Ψ_w. Immaginiamo un becher aperto pieno di acqua pura a 20°C. Dato che è esposto all’atmosfera, Ψ_w è la stessa di quella atmosferica (Ψ_w = 0 MPa). Non ci sono soluti nell’acqua, quindi Ψ_s = 0 MPa; quindi il potenziale idrico è 0 MPa (Ψ_w = Ψ_s + Ψ_p).

Adesso immaginiamo di sciogliere dello zucchero fino a una concentrazione 0,1 M. L’aggiunta di zucchero abbassa il potenziale osmotico Ψ_s a -0,244 MPa e fa diminuire il potenziale idrico Ψ_w a -0,244 MPa.

Ora prendiamo una cellula flaccida (concentrazione interna soluti 0,3 M, Ψ_s è -0,732 MPa) e mettiamola nel becher in cui si trova disciolto lo zucchero. La pressione interna è la stessa di quella ambientale, quindi Ψ_p è 0 MPa e Ψ_w è -0,732 MPa.

Dopo che abbiamo messo la cellula nel becher, essendo che il Ψ_w del becher (-0,244 MPa) è più grande del Ψ_w della cellula (-0,732 MPa), l’acqua si muoverà dal becher alla cellula (da un Ψ_w maggiore a uno minore).

L’acqua può anche uscire dalla cellula secondo gradiente di Ψ_w. Per dimostrarlo mettiamo la cellula in una soluzione 0,3 M di zucchero che presenta Ψ_w di -0,732 MPa che è più negativo di Ψ_w della cellula che è -0,244 MPa. Perciò in questo caso l’acqua uscirà dalla cellula. Quando l’acqua esce il volume diminuisce, diminuisce Ψ_p e quindi Ψ_w, fino a che Ψ_w (cellula) = Ψ_w (soluzione) = -0,732 MPa. All’equilibrio Ψ_w = 0 MPa e il cambiamento del volume cellulare è così piccolo che si può ignorare il cambiamento in Ψ_s.

Se ora “schiacciamo” la cellula, aumentiamo Ψ_p e quindi aumentiamo anche Ψ_w perciò l’acqua uscirà dalla cellula. Se continuiamo a schiacciare fino a che metà dell’acqua della cellula viene rimossa e manteniamo la pressione inalterata si crea un nuovo equilibrio dove Δψ_w = 0 MPa. Ψ_w sarà lo stesso iniziale, ma le sue componenti saranno cambiate.

Ψ_w e stress: cosa cambia all’aumentare dello stress idrico nel suolo?

Se l’acqua comincia a mancare la prima cosa che la pianta fa è quella di smettere di generare nuove cellule, successivamente smette di sintetizzare la parete, le proteine, chiude gli stomi e infine blocca la fotosintesi. Se questa condizione di stress continua la pianta mette in atto alcune difese tra cui l’accumulo dei soluti e l’accumulo di acido abscissico che permettono di richiamare acqua dal suolo.

In suoli molto asciutti il potenziale idrico può cadere al di sotto del punto di appassimento permanente. Questo significa che Ψ_w del suolo è minore o uguale al potenziale osmotico Ψ_s della pianta (la pianta non ha più la capacità di aggiungere soluti per abbassare il suo Ψ_w rispetto a quello del terreno). Dato che Ψ_w cellulare varia a seconda della specie, il punto di appassimento permanente dipende non solo dal terreno, ma anche dalla specie vegetale.

Bilancio idrico della pianta

Le piante terrestri acquisiscono risorse sia dall’aria che dal suolo. Ψ_w governa il trasporto attraverso le membrane e aiuta a valutare lo stato idrico della pianta. Le alghe assorbono acqua, minerali e CO₂ direttamente dall’ambiente circostante mentre le piante hanno sistemi di trasporto a lunga distanza (xilema e floema) per acqua, minerali e prodotti della fotosintesi. Le piante hanno evoluto adattamenti rispetto alle alghe:

• Per aumentare l’efficienza fotosintetica;
• Per il rapido trasporto dell’acqua dal suolo per sostituire quella persa nell’atmosfera;
• Per contrastare la distanza sempre maggiore tra le radici e le foglie.

L'acqua nel suolo

Il contenuto idrico e la velocità di movimento dell’acqua dipendono da tipo e struttura del suolo:

• Terreni sabbiosi: hanno bassa area di superficie per grammo di terreno e gli spazi tra le particelle sono così grandi che l’acqua tende a drenare;
• Terreni argillosi: hanno area di superficie molto più vasta e canali abbastanza piccoli da trattenere l’acqua contro la forza di gravità.

Capacità di campo: quantità di acqua per grammo del suolo dopo che questo è stato saturato d’acqua e dopo aver lasciato drenare via l’acqua in eccesso. Pochi giorni dopo una forte pioggia il terreno argilloso può trattenere ancora il 40% di acqua mentre il terreno sabbioso solo il 15%.

Forze motrici per il trasporto dell'acqua

Movimento dell’acqua nel suolo

L’acqua nel suolo è presente in modo variabile. Le variazioni sono date dalla presenza delle piante, che assorbono continuamente acqua dal suolo, dall’evaporazione dell’acqua dalla superficie del suolo e dalla risalita dell’acqua nel suolo per capillarità (il richiamo dell’acqua dagli strati più profondi è favorito dalla pianta). A seguito dei processi di adesione e coesione, si ha una maggior disponibilità di acqua nelle parti più prossime alla superficie, e via via che ci si allontana il quantitativo di acqua si assottiglia. L’acqua tende ad aderire alle particelle solide, creando interstizi nei quali l’aria può circolare. L’acqua può penetrare all’interno della radice grazie ad una differenza di potenziale idrico, negativo per la pianta e meno negativo per il suolo. Questo potenziale idrico del suolo ha le 3 componenti del potenziale idrico:

• Ψ_s generalmente trascurabile;
• Ψ_p vicino a zero quando il suolo è umido;
• Ψ_g fondamentale nel drenaggio.

Man mano che il suolo si disidrata Ψ_p diminuisce e può raggiungere valori molto negativi perché entrano in gioco le forze di adesione delle molecole di acqua alle particelle del suolo e le forze di coesione tra le molecole di acqua. Più acqua viene rimossa più si formano dei menischi curvi (a causa delle forze di coesione e di adesione) che generano delle pressioni sempre più negative (tensioni più grandi). La curvatura del menisco rappresenta il bilancio fra la tendenza a minimizzare l’area di superficie aria-acqua e l’attrazione nei confronti delle particelle del suolo.

Raggio di curvatura (μm) Pressione idrostatica (MPa)

0,5 -0,3

0,05 -30

0,01 -15

A questo punto l’acqua si sposta da una regione con un contenuto idrico maggiore verso una con un contenuto idrico minore per flusso di massa guidato da un gradiente di pressione (ΔΨ_p).

La velocità del flusso dipende da due fattori:

• Ampiezza del gradiente di pressione (all’equilibrio flusso lento);
• Conduttività idraulica del suolo (capacità del suolo di trattenere più o meno fortemente acqua).

Suoli sabbiosi hanno elevata conduttività idraulica quando sono saturi. Man mano che il contenuto idrico diminuisce cala anche la conduttività idraulica, per sostituzione dell’acqua negli spazi presenti nel suolo con l’aria. Il movimento allora resta relegato alla periferia dei canali pieni di aria, il flusso è limitato ai canali meno numerosi e più stretti e la conduttività idraulica decade.

Assorbimento di acqua nelle radici

Il contatto fra superficie della radice e suolo è fondamentale. Questo contatto è ampliato dai peli radicali, estensioni microscopiche delle cellule epidermiche radicali (regioni più mature che hanno uno strato esterno di tessuto idrofobico protettivo). L’assorbimento di acqua nella radice può avvenire per via simplastica (il continuum dei citoplasmi è il simplasto), per via apoplastica (il continuum delle pareti cellulari, degli spazi aeriferi intercellulari e dei lumi delle cellule morte è l’apoplasto) o per via transmembrana.

• Via simplastica: attraverso il continuum del citosol.
• Via apoplastica: attraverso le parti cellulari e gli spazi extracellulari.
• Via transmembrana: l’acqua esce da...