Fisiologia vegetale

Perché studiamo le piante?

Non possiamo fare a meno delle piante:

• Producono la maggior parte dell'ossigeno che noi respiriamo.
• Sono la principale fonte dell'energia chimica immagazzinata che noi sfruttiamo come cibo e combustibile.
• Producono una grande quantità di sostanze chimiche utili per noi.

Problema: incremento della popolazione mondiale

Si studiano le piante per cercare di aumentare la produzione di cibo; le stime indicano che sarà necessario incrementare la produzione di circa il 70% nei prossimi 40 anni. Direttamente o indirettamente le piante forniscono tutto il cibo all'umanità:

• Vegetale: frutta, verdura.
• Anche per il consumo di carne che indirettamente richiede un incremento delle richieste delle produzioni vegetali.

Piante = produttori primari (PP) si cibano solo di altre piante e solo il 10% dei composti e dell'energia di una pianta andranno a comporre la massa corporea dell'organismo di cui è mangiata.

Condizioni limitanti per la crescita della pianta

• Stress idrico
• Stress termico
• Carenze nutrizionali
• Fisiopatologia

Le malattie: ci sono diverse malattie che colpiscono le piante e ne riducono fortemente la produttività (es. malattia della patata). La siccità da stress termico riduce la resa; uno stress lieve riduce il tasso di fotosintesi e la crescita, mentre uno stress estremo è letale.

Siccità = aumento della temperatura globale.

Innovazioni che riducono le limitazioni

La fertilizzazione è un processo che richiede energia e, nonostante tutto, può contribuire all'inquinamento ambientale, in quanto lo scarico di fertilizzanti provoca zone morte dove le fioriture algali che deperiscono riducono i livelli di ossigeno in acqua, rendendo la vita animale impossibile.

Le ricerche in questo ambito procedono mediante modificazioni genetiche atte a sviluppare piante in grado di resistere ai fattori limitanti citati sopra. Ad esempio, per migliorare la capacità delle piante di assumere i nutrienti dal terreno, si sviluppa un sistema di trasporto delle radici che può ridurre la quantità di fertilizzante richiesto.

Le piante non sono solo fonte di cibo

• Forniscono nuovi farmaci terapeutici (es. salice → aspirina; caffè e tè come fonte di caffeina), vaccini e anticorpi.
• Forniscono fibre per la carta e tessuti (sequenziamento genoma di pioppo → per migliorare la produzione della carta).
• Sono fonte di prodotti bio-rinnovabili, come plastica vegetale.
• Forniscono energia rinnovabile (etanolo) e possono sostituire il petrolio (fonte di biodiesel: colza, alghe e soia).

L'acqua

È il costituente principale degli organismi viventi, e nel caso delle cellule vegetali può rappresentare il 90% del peso fresco cellulare. È coinvolta direttamente o indirettamente nei processi fisiologici: basta una piccola variazione in modo negativo a far precipitare l’attività fotosintetica e, quando cala la fotosintesi, cala la produttività.

Per svolgere la fotosintesi la pianta ha bisogno di anidride carbonica, essa entra tramite gli stomi che, aprendosi, causano la fuoriuscita di acqua, per questo motivo le piante si sono evolute in modo di ridurre al minimo la traspirazione. Quando la traspirazione supera la disponibilità di acqua, abbiamo stress idrico. Se cala l’acqua nel terreno, la pianta comincia a perdere acqua che non può recuperare, e la risposta immediata è il blocco della crescita (si mette a riposo). Le piante selvatiche non sono mai idratate al 100%.

Le caratteristiche dell'acqua

È costituita da un atomo di ossigeno legato covalentemente a due atomi di idrogeno. A causa della disposizione degli elettroni, attorno all’ossigeno si forma una parziale carica negativa e intorno agli idrogeni si forma una parziale carica positiva (carattere dipolo). Nonostante sia una molecola polare, nel suo insieme risulta essere neutra perché il numero delle cariche parziali è uguale, e a causa di questo gli atomi di idrogeno tendono a formare legami idrogeno (legami intermolecolari di natura elettrostatica). È proprio la presenza di questi legami che conferisce all’acqua caratteristiche chimico-fisiche quali:

• La natura polare le conferisce la capacità di essere un solvente ideale in quanto è in grado di solvatare sia composti ionici che composti polari.
• L’elevato calore specifico: è la quantità di energia richiesta per innalzare la temperatura di uno grammo d’acqua di un grado centigrado. L’elevato calore specifico limita la variazione di temperatura nella pianta: permette alle foglie traspiranti di mantenere la loro temperatura al di sotto di quella dell’aria e quindi l’adattamento delle piante anche in ambienti esposti ad una notevole energia solare radiante.
• L’elevato calore latente di evaporazione e il calore di fusione: è l’energia necessaria per separare le molecole da una fase liquida ad una fase gassosa (questo avviene negli stomi). Consentono all’acqua di rimanere allo stato liquido in un determinato intervallo di temperature particolarmente ampio, consentendo alle reazioni che caratterizzano il metabolismo di avvenire in condizioni di temperatura anche estreme.
• I legami idrogeno intermolecolari sono responsabili delle proprietà adesive e coesive dell’acqua. Questi legami conferiscono un’elevata forza di tensione, definita come la forza di trazione massima che una colonna di un generico materiale può sopportare senza rompersi. Forza di coesione, adesione ed elevata tensione superficiale determinano il movimento dell’acqua per capillarità.

Il trasporto dell'acqua

Il processo mediante il quale le molecole di acqua si muovono è la diffusione, che vede il movimento delle molecole di soluto, in seguito ad un’agitazione termica, da una regione più concentrata verso una meno concentrata in modo tale da occupare tutto il volume disponibile. La diffusione è influenzata dalla pressione e dalla concentrazione, ed è il meccanismo dominante per quanto riguarda il trasporto di soluti per brevi distanze.

L’osmosi è un tipo speciale di diffusione in cui l’acqua si sposta, attraverso una barriera semipermeabile (membrana plasmatica), secondo gradiente di concentrazione, verso una soluzione meno concentrata (salina). Questo spostamento di acqua procede finché si ha un equilibrio tra la forza di tensione e la forza osmotica. Più il potenziale osmotico è negativo, più l’acqua tende ad andare verso potenziali idrici negativi.

Esempio: se mettiamo una soluzione salata fuori da una cellula, questa si ritira. Nella cellula vegetale avviene la plasmolisi, ovvero l’acqua esce attraverso la membrana plasmatica della cellula.

Il potenziale idrico dell'acqua

L’acqua nelle piante si sposta seguendo un gradiente di potenziale chimico (μ) definito come l’energia chimica per mole di una determinata specie chimica (espresso in unità di pressione). Il potenziale idrico dell’acqua è dato dal potenziale chimico dell’acqua rapportato al suo volume parziale molare. Il potenziale dell’acqua a 25°C e a pressione atmosferica è pari a 1.

Il potenziale idrico è in funzione di diversi componenti: concentrazione soluti (s), pressione (P), gravità (g) e temperatura (T). Esso infatti risulta essere la somma di tutti questi componenti: Y = Ψ_π + Ψ_P + Ψ_g.

Ψ_P viene generato dalla presenza di una parete cellulare che esercita una pressione positiva sul protoplasto e prende il nome di pressione di turgore. Può anche essere negativa (tensione), ma questo accade solo in caso di cellule compresse (plasmolisi).

Il potenziale di pressione viene riportato come la differenza tra il potenziale di tensione e il potenziale di tensione esterno (pressione di turgore).

Ψ_π (potenziale del soluto o potenziale osmotico) ha sempre valori negativi perché la presenza di soluti induce una riduzione dell’energia libera del solvente e quindi genera valori di pressione osmotica.

Ψ_g (potenziale gravitazionale) dipende dalla densità dell’acqua (ρ_w), dall’accelerazione di gravità (g) e dall’altezza (h) dell’acqua rispetto allo stato di riferimento.

Come si sposta l'acqua

È evidente che l’acqua si sposta passivamente all’interno di organi della pianta da zone a potenziale maggiore, verso zone con potenziale minore (cioè più negativo), riducendo la propria energia libera. All’interno degli organi lo spostamento avviene per mezzo di canali, abbiamo pareti primarie che sono meno resistenti al flusso dell’acqua rispetto a quelle lignificate (secondarie), è lo spostamento dell’acqua verso l’interno che favorisce lo spostamento cellulare.

Il passaggio dell’acqua da una cellula all’altra avviene tramite plasmodesmi, i quali però permettono il passaggio anche di virus. Le cellule di guardia determinano l’apertura dello stoma che dipende da correnti ioniche le quali governano il flusso di acqua, poiché si abbia l’apertura dello stoma le correnti ioniche devono essere nette.

Lo spostamento avviene anche attraverso le acquaporine: canali che regolano il passaggio dell’acqua attraverso le membrane. In Arabidopsis sono stati trovati 35 geni che codificano per le acquaporine, essi sono stati raggruppati in 4 famiglie per funzione e attività. Due particolari famiglie nelle cellule vegetali sono quelle del tonoplasto (TIP) e della membrana plasmatica (PIP).

Le acquaporine sono proteine che costituiscono dei canali proteici formati da un’unica molecola con 6 domini ad alfa-elica trans-membrana e dei loop citoplasmatici coinvolti nella regolazione della loro apertura e chiusura. Sono regolate da:

• Fosforilazione (apertura → proteina chinasi Ca²⁺) o defosforilazione (chiusura → fosfatasi) regolate a loro volta da una cascata di eventi dall’esterno.
• pH citoplasmatico che aumenta se la respirazione è inibita (per esempio l’allagamento aumenta il pH che causa la chiusura).
• A livello trascrizionale e post-trascrizionale (gating).

L’acqua si sposta all’interno della pianta oltre che per diffusione e osmosi (movimento lento, nella lunga distanza non va bene) anche per flusso di massa. Questo spostamento è molto più veloce della diffusione ma richiede energia solare; l’evaporazione è la forza motrice del flusso di massa in quanto guida l’energia solare. Sono presenti numerose resistenze sia in entrata che in uscita, per questo il modello del flusso di massa rispetta la regola di Ohm: I = V / R.

La direzione del flusso è determinata da quella del gradiente di Ψ_w. La velocità del flusso è proporzionale alla grandezza del gradiente e inversamente proporzionale alla resistenza del mezzo. In una cellula il movimento dell’acqua attraverso la membrana diminuirà mano a mano che il Ψ_w cellulare si avvicina a quello del mezzo esterno. Il flusso è determinato dalla differenza di potenziale idrico diviso per la resistenza (legge di Ohm), che è analoga alla differenza di potenziale idrico x conduttanza.

Le resistenze (R) che possono incontrare provengono da stomi e condotti: minore è il raggio del condotto maggiore è la grandezza della colonna.

Riassumendo:

• L’acqua si muove per diffusione e flusso di massa.
• L’acqua si muove verso un potenziale idrico o un potenziale di pressione inferiori quando non sono coinvolte membrane.
• Il potenziale idrico è la somma del potenziale di pressione e della pressione osmotica (del potenziale gravitazionale).
• Il flusso è determinato dalla differenza di potenziale idrico per la resistenza (legge di Ohm) che è analoga alla differenza di potenziale idrico moltiplicata per la conduttanza.

Il potenziale idrico influenza le piante in vari modi:

1. Il potenziale idrico del suolo influenza la capacità di assumere acqua dalle radici.
2. Il potenziale idrico della pianta permette di capire lo stato della pianta.
3. Il potenziale idrico dell’atmosfera influenza la velocità di traspirazione e la perdita d’acqua nella pianta.

Il potenziale idrico fornisce una valutazione dello stato idrico della pianta, nel grafico sono riportati i potenziali idrici di piante a diverso stress idrico. Via via che si va verso l’aumento dello stress cominciano ad essere compromessi diversi processi, e ad un certo punto la pianta deve chiudere gli stomi (meccanismo di difesa). La chiusura degli stomi è una strategia della pianta per riuscire a sopravvivere a queste condizioni. Anche l’accumulo di soluti è una strategia vincente in quanto attira l’acqua (sono le proline che si occupano di accumulare l’acqua).

Il trasporto dell'acqua nella pianta

Il potenziale idrico dipende dalla composizione del suolo che può essere composto da particelle di variabile grandezza. Particelle con dimensioni maggiori: sabbia; particelle con dimensioni minori: argilla. Le prime (sabbia) hanno canali grandi per cui l’acqua può passare facilmente, con un'elevata conduttività idraulica. Le particelle di argilla invece sono molto piccole, e presentano canali ridotti, per cui l’acqua passa più difficilmente in quanto la conduttività idraulica è bassa. A seconda della composizione del terreno, quindi, abbiamo diversa conduttività idraulica del suolo, ovvero una diversa velocità di trasporto dell’acqua. Maggiore sono i canali tra le particelle, maggiore sono gli spazi che si creano per il passaggio dell’acqua.

Il potenziale idrico del suolo è negativo e dipende da diversi componenti:

• Il potenziale dei soluti che di solito è basso, e quindi generalmente trascurabile.
• Il potenziale di pressione è prossimo allo zero e via via che il suolo si disidrata diventa sempre più negativo. Esso è negativo perché dipende dalla tensione superficiale dell’acqua e dal raggio di curvatura che si forma nell’interfaccia acqua-suolo.

In condizioni ambientali di bassa traspirazione, elevata umidità e elevata disponibilità di acqua nel suolo, in alcune specie vegetali si crea una condizione positiva di pressione radicale. In questa condizione positiva, i soluti assorbiti dalle radici determinano una diminuzione del potenziale idrico dello xilema e quindi l’uscita di acqua dalle foglie (idatodi).

Assorbimento di acqua dalle radici

L’ingresso dell’acqua dal suolo nella radice avviene sulla base di una differenza di potenziale dell’acqua tra i due compartimenti. L’apparato radicale di una pianta non è ugualmente permeabile in tutti i punti: la zona pilifera è quella maggiormente coinvolta nell’assorbimento. Una volta entrata attraverso i peli radicali, l’acqua si muove verso gli elementi xilematici attraverso tre vie:

• Apoplastica: entra attraverso gli spazi tra le cellule.
• Simplastica: il movimento è di citoplasma in citoplasma attraverso i plasmodesmi senza attraversare il plasmalemma.
• Transmembrana: attraverso le membrane plasmatiche.

Queste tre vie non si escludono a vicenda per cui l’acqua può passare continuamente dal percorso apoplastico a quello simplastico e viceversa. Tuttavia il trasporto apoplastico prevale in condizioni di elevata traspirazione, ovvero quando la forza che guida il movimento dell’acqua è la differenza di pressione idrostatica tra il suolo e la radice. Il trasporto simplastico, al contrario, prevale in condizioni di bassa traspirazione. L’ultimo strato di cellule che costituisce il parenchima corticale (endodermide) presenta nelle pareti radiali e trasversali una fascia resa pressoché impermeabile dalla deposizione di suberine (composti idrofobi), chiamata banda del Caspary. Questa interrompe il movimento dell’acqua per via apoplastica, per cui questa può proseguire soltanto per via simplastica.

Le acquaporine giocano un ruolo fondamentale per il passaggio dell’acqua. Esse possono trovarsi in conformazione chiusa o aperta; quando sono aperte facilitano il rapido spostamento delle molecole di acqua attraverso la membrana e secondo gradiente di potenziale chimico, quando invece sono chiuse (in condizioni di stress idrico o allagamento) esse riducono notevolmente la permeabilità all’acqua della membrana.

Trasporto xilematico

Una volta entrata nelle radici, l’acqua deve passare al fusto. Come la struttura dello xilema influenza la sua funzione di trasportare l’acqua?

La conduttanza xilematica è funzione di:

• Distribuzione dei diametri di elementi
• Lunghezza degli elementi
• Numero dei vasi
• La resistenza al trasferimento tra gli elementi

L’acqua e i soluti assorbiti dalle radici devono passare al resto della pianta attraverso un sistema di trasporto a lunga distanza che coinvolge lo xilema. Esistono fondamentalmente due tipi di conduzione xilematica: tracheidi e trachee. Le prime sono anche definite vasi chiusi e sono costituite da cellule fusiformi allungate, e solo giustapposte le une alle altre. Le tracheidi sono considerate elementi di conduzione meno specializzati. Le trachee, anche chiamate vasi aperti, sono costituite da cellule allungate sovrapposte le une alle altre le cui pareti trasversali sono state parzialmente o totalmente riassorbite, pertanto nel loro insieme formano un vero e proprio tubo. Lo xilema costituito da sole tracheidi è definito omoxilo, quello costituito da trachee e tracheidi è definito eteroxilo. Trachee e tracheidi sono cellule morte a maturità perché, dopo aver modificato la struttura e la composizione delle loro pareti cellulari, perdono il citoplasma.