Fisiologia vegetale

Plasmodesmi, simplasto e apoplasto

I plasmodesmi sono estensioni tubulari della membrana plasmatica, del diametro di 40-50 nm, che attraversano la parete cellulare collegando i citoplasmi di cellule adiacenti. Siccome molte cellule vegetali sono collegate fra loro in questo modo, i loro citoplasmi formano un continuum cui si dà il nome di simplasto (l'apoplasto, invece, è un sistema continuo di pareti cellulari connesse tra loro). Così il trasporto di soluti attraverso le cellule che utilizzano i plasmodesmi è definito trasporto simplastico.

Tipi di plasmodesmi

Esistono due tipi di plasmodesmi: primario e secondario. I plasmodesmi primari si formano durante la citochinesi, quando le vescicole che derivano dal Golgi che contengono i precursori della parete cellulare si fondono per formare la piastra cellulare (la futura lamella mediana). In questo modo lo sviluppo di questi plasmodesmi fornisce una via di continuità e comunicazione diretta fra cellule clonate dalla stessa cellula madre. I plasmodesmi secondari si formano fra le cellule a seguito della disposizione delle pareti cellulari, sia per evaginazione della membrana plasmatica verso la superficie della cellula, sia per ramificazione da un plasmodesma primario. I plasmodesmi secondari, comunque, oltre ad aumentare la comunicazione fra le cellule prodotte per clonazione, permettono la continuità simplastica delle cellule anche senza essere di origine clonale.

In generale, i plasmodesmi hanno una complessa struttura interna che ha la funzione di regolare il traffico molecolare da cellula a cellula. Ogni plasmodesma è formato da uno stretto tubulo di ER, definito desmotubulo. Il traffico macromolecolare avviene principalmente in uno spazio ristretto situato fra il desmotubulo e la membrana plasmatica detto manicotto citoplasmatico. Associate alle membrane del desmotubulo e alla membrana plasmatica all'interno del manicotto vi sono delle proteine globulari disposte in modo elicoidale, che sono interconnesse, dividendo il manicotto in otto-dieci microcanali. L'ampiezza di questi canali serve a selezionare la grandezza delle molecole che devono passare attraverso il poro. Si parla quindi di limite di esclusione dimensionale o SEL dei plasmodesmi. Il SEL può essere regolato con un meccanismo ancora poco conosciuto, ma con la probabile partecipazione dell'actina e della miosina. Sono state proposte due possibilità: 1) l'actina e la miosina possono consentire al poro di restringersi, riducendo il SEL del poro; 2) l'actina e la miosina possono direttamente facilitare il movimento delle macromolecole e particelle nel passaggio attraverso il poro.

Floema, xilema e traslocazione floema

Esistono due sistemi per il trasporto a lunga distanza che permisero ai germogli e alle radici di scambiare efficacemente i prodotti dell'assorbimento e dell'assimilazione. Lo xilema è il tessuto che trasporta l'acqua e gli elementi minerali dal sistema radicale alle parti aeree della pianta. Il floema, invece, è il tessuto in grado di traslocare i prodotti della fotosintesi da foglie adulte ad aree di accrescimento e di accumulo, comprese le radici. Gli zuccheri sono i prodotti fotosintetici più trasportati.

Attraverso il corpo della pianta scorrono due vie di trasporto a lunga distanza, il floema e lo xilema. Il floema di solito è situato nella parte esterna sia dei tessuti vascolari primari che secondari; il floema, nelle piante con accrescimento secondario, rappresenta la parte più interna della corteccia. Le cellule del floema, che trasportano lo zucchero e le altre sostanze organiche attraverso la pianta, sono definite elementi del cribro. "Elementi del cribro" è un termine che comprende sia gli elementi dei tubi cribrosi, altamente differenziati e tipici delle angiosperme, che le cellule cribrose, poco specializzate e tipiche delle gimnosperme.

Oltre a questi elementi, il tessuto floematico contiene cellule compagne, cellule parenchimatiche (che accumulano e rilasciano molecole nutritive) e, in alcuni casi, fibre e sclereidi (per la protezione e il rafforzamento del tessuto) e laticiferi (cellule contenenti lattice). Comunque, solo gli elementi del cribro sono coinvolti nella traslocazione. Il trasporto degli zuccheri avviene nella corteccia dell'albero e gli elementi del cribro sono i canali cellulari per il trasporto dello zucchero.

Dettagli sugli elementi del cribro

In maniera dettagliata, gli elementi maturi del cribro sono privi di numerose strutture presenti, invece, nelle cellule viventi come: il nucleo, microfilamenti, microtubuli, apparato del Golgi e ribosomi. Permangono, invece, la membrana plasmatica, mitocondri modificati, plastidi e il reticolo endoplasmatico liscio. Gli elementi del cribro sono caratterizzati, inoltre, dalle aree cribrose, porzioni della parete cellulare dove dei pori mettono in connessione le cellule conduttrici. Alcune aree cribrose degli elementi dei tubi cribrosi si differenziano in placche cribrose, che presentano pori più grandi di quelli delle altre aree cribrose della cellula e sono di solito sulle pareti terminali degli elementi dei tubi cribrosi, dove le singole cellule si uniscono per formare una serie longitudinale definita tubo cribroso. I pori delle placche cribrose degli elementi dei tubi cribrosi sono fondamentalmente dei canali aperti che permettono il trasporto fra le cellule.

Il succo degli elementi cribrosi è ricco di zuccheri e altre molecole organiche. Queste molecole rappresentano un investimento energetico per la pianta e la loro perdita deve essere impedita se gli elementi del cribro sono danneggiati. Meccanismi di riparazione a breve termine coinvolgono proteine del succo floematico, mentre il meccanismo principale per evitare la perdita di succo floematico a lungo termine è l'occlusione dei pori delle placche cribrose con un polimero di glucosio.

Le principali proteine floematiche coinvolte nella riparazione degli elementi del cribro danneggiati sono proteine strutturali definite proteine P, che non si trovano nelle gimnosperme. La proteina P sembra entrare in azione, per sigillare gli elementi del cribro danneggiati, tappando i pori della placca cribrosa. Una soluzione più a lungo termine al problema del danneggiamento è in molte specie la produzione all'interno dei pori cribrosi di callosio, un β-1,3-glucano, che sigilla efficacemente gli elementi danneggiati e una volta che le ferite guariscono il callosio sparisce dai pori.

Comunque, ogni elemento del tubo cribroso è associato a una o più cellule compagne attraverso plasmodesmi. Le cellule compagne giocano un ruolo nel trasporto dei prodotti fotosintetici dalle cellule produttrici delle foglie mature agli elementi del cribro nelle venature minori della foglia. Esse si fanno anche carico di alcune funzioni metaboliche cruciali, come la sintesi proteica, che risulta ridotta o persa negli elementi del cribro, e numerosi mitocondri forniscono agli elementi del cribro energia sotto forma di ATP.

Nelle venature minori delle foglie mature vi sono almeno tre distinti tipi di cellule compagne:

• Le cellule compagne comuni, caratterizzate da cloroplasti con tilacoidi ben sviluppati e da pareti cellulari con una superficie interna liscia,
• Transfer cell che presenta delle invaginazioni della parete che aumentano notevolmente la superficie della membrana plasmatica, aumentando quindi anche il trasferimento di soluti attraverso la membrana,
• Le cellule intermedie che sono specializzate nell'assorbimento di soluti tramite connessioni citoplasmatiche.

Caricamento floematico e tipi

Il saccarosio sintetizzato in una cellula del mesofillo può diffondere attraverso i plasmodesmi verso altre cellule del mesofillo che si trovano a stretta vicinanza con il floema. Questo movimento cellula a cellula del mesofillo, è un movimento diffusivo di tipo simplastico, che dipende esclusivamente dal gradiente di concentrazione del saccarosio. Arrivato però alle cellule parenchimatiche distinguiamo due tipi di specie: specie a caricamento apoplastico del floema in cui il collegamento simplastico tra mesofillo e tubo cribroso è interrotto da unità funzionali, costituite da elementi cribrosi e cellule compagne che non hanno plasmodesmi in comune con le cellule parenchimatiche circostanti. In queste specie il saccarosio prima di raggiungere il tubo cribroso, deve essere rilasciato nell’apoplasto attraverso un sistema di trasporto di membrana saccarosio/K⁺ (simporto) per poi essere riassorbito dalle cellule compagne o direttamente dagli elementi cribrosi anche questa volta attraverso dei trasportatori SUT che effettuano un simporto H⁺/saccarosio. Il caricamento apoplastico del saccarosio è un processo attivo: i trasportatori del saccarosio coinvolti SUT catalizzano il simporto di un protone per ogni molecola di saccarosio traslocata nel citosol di una cellula compagna. Si tratta di un trasporto attivo secondario perché l’attività del trasportatore è associata ad una ATPasi protonica che pompa H⁺ nell’apoplasto. Si può calcolare che un sistema di simporto saccarosio/protoni con stechiometria 1:1 potrebbe concentrare il saccarosio fino a 10000 volte. Il sistema di caricamento apoplastico del floema è quindi un sistema che consuma energia, ma che è molto efficiente nel generare elevate concentrazioni di saccarosio nei tubi cribrosi degli organi source.

Distinguiamo poi specie a caricamento simplastico, dovuto dalla presenza di connessioni simplastiche non solo tra le cellule del mesofillo ma anche tra queste e le cellule del floema. Il sistema di plasmodesmi quindi, garantisce una continuità simplastica tra mesofillo e tubi cribrosi. Dal mesofillo alle cellule compagne il saccarosio diffonde passivamente, ma solo in queste cellule sono attivi enzimi che convertono il saccarosio in zuccheri più voluminosi, ma ancora solubili, come il raffinosio (saccarosio-galattosio) o lo stachinosio (saccarosio-galattosio-galattosio). Questa conversione è funzionale ai fini del caricamento del floema, perché i plasmodesmi lasciano passare solo il saccarosio, mentre le unità plasmodesma-poro lasciano passare il raffinosio e lo stachinosio. Anche questo meccanismo non è a costo zero, l’energia infatti viene consumata dagli enzimi che convertono il saccarosio in raffinosio e stachinosio. Per ottenere raffinosio dal galattosio, si consuma UDP-galattosio con consumo di 1 UDP per ogni raffinosio.

Caricamento del floema

• Il trioso fosfato che si forma durante la fotosintesi è trasportato dal cloroplasto al citosol, dov'è convertito in saccarosio. Durante la notte, il carbonio accumulato nell'amido di riserva esce dal cloroplasto principalmente sotto forma di maltosio ed è convertito in saccarosio;
• Il saccarosio quindi si sposta dalle cellule del mesofillo alle prossimità degli elementi del cribro, nelle venature più piccole della foglia. Questa via richiede una distanza molto piccola e viene definita via di trasporto a breve distanza;
• Nel terzo passaggio, definito caricamento del floema, gli zuccheri sono trasportati dentro gli elementi del cribro e nelle cellule compagne, dove raggiungono concentrazioni superiori a quelle del mesofillo. Una volta dentro gli elementi del cribro il saccarosio e gli altri soluti vengono traslocati lontano dalla sorgente, un processo conosciuto come esportazione. La traslocazione al pozzo tramite il sistema vascolare viene detta trasporto a lunga distanza.

Attraverso questi passaggi, abbiamo visto che i soluti devono muoversi dalle cellule fotosintetizzanti del mesofillo verso gli elementi del cribro. La via a breve distanza iniziale è sempre simplastica. Comunque, gli zuccheri possono muoversi internamente attraverso il simplasto (citoplasma) tramite i plasmodesmi o a un certo punto possono alternativamente entrare nell'apoplasto prima del caricamento del floema. Nella via apoplastica gli zuccheri quindi entrano vicino al complesso elemento del cribro-cellula compagna e vengono caricati attivamente dall'apoplasto negli elementi del cribro e nelle cellule compagne mediante trasportatori selettivi che richiedono energia, come il simporto saccarosio-H⁺. La via simplastica, invece, è comune a quelle specie che oltre al saccarosio trasportano nel floema raffinosio e stachiosio e che posseggono delle venature minori delle cellule intermedie. Nella via apoplastica sono coinvolti dei simportatori specifici per determinati zuccheri che quindi selezionano quelli che devono passare negli elementi del cribro. Per la via simplastica e quindi attraverso i plasmodesmi, è stato definito il modello trappola per polimeri. Secondo questo modello, il saccarosio, sintetizzato nel mesofillo, diffonde nelle cellule attraverso numerosi plasmodesmi. Il raffinosio e lo stachiosio sono sintetizzati a partire dal saccarosio trasportato e dal galattosio. A causa dell'anatomia del tessuto e della relativa dimensione di raffinosio e stachiosio, i polimeri non possono diffondere nuovamente verso le cellule poste dietro, ma possono diffondere negli elementi del cribro.

Scaricamento floema

L'importazione di zuccheri nelle cellule pozzo coinvolge i seguenti passaggi:

1. Scaricamento del floema: è il processo tramite il quale gli zuccheri traslocati fuoriescono dagli elementi del cribro dei tessuti pozzo;
2. Trasporto a breve distanza: dopo lo scaricamento gli zuccheri sono trasportati alle cellule del pozzo tramite una via di trasporto a breve distanza. Questa via è anche definita post-trasporto negli elementi del cribro;
3. Accumulo e metabolismo: nell'ultimo passaggio gli zuccheri sono accumulati e metabolizzati nelle cellule pozzo.

Come per le sorgenti, gli zuccheri possono muoversi internamente nei pozzi tramite il simplasto attraverso i plasmodesmi, o possono entrare in determinati punti dell'apoplasto. In generale, gli zuccheri escono dagli elementi del cribro (scaricamento degli elementi del cribro) attraverso vie simplastiche e sono trasferiti dal simplasto all'apoplasto e rimossi dal complesso elemento del cribro-cellula compagna. Comunque, il trasporto nei tessuti pozzo dipende dall'energia. Il sito o i siti nei quali è richiesta l'energia varia secondo la specie o l'organo studiato. Durante l'assorbimento in cellule pozzo non sono attraversate membrane e il trasporto attraverso i plasmodesmi è passivo, poiché gli zuccheri si spostano da un'alta concentrazione negli elementi del cribro verso una concentrazione minore nelle cellule pozzo. Così in questi pozzi l'energia metabolica è richiesta direttamente per la respirazione e per le reazioni.

In alcuni organi con scaricamento apoplastico le conversioni metaboliche aiutano anche a mantenere il gradiente di concentrazione per l'assorbimento da parte del pozzo. Nel caso dell'importazione apoplastica, invece, gli zuccheri devono attraversare almeno due membrane: la membrana plasmatica della cellula che esporta zucchero e quella della cellula pozzo. Questo tipo di trasporto richiede energia ma i trasportatori non sono stati ancora individuati. In generale, lo scaricamento simplastico avviene in giovani foglie dicotiledoni, petali, giovani apici radicali e ovuli dove la concentrazione di zuccheri è bassa. Mentre, lo scaricamento apoplastico avviene in altri tessuti pozzo, come tessuti di riserva e semi in via di sviluppo dove non vi sono plasmodesmi, contro il gradiente di concentrazione.

Bisogna, infine dire, che in generale le foglie delle dicotiledoni come il pomodoro o il fagiolo iniziano il loro sviluppo come organi pozzo. La transizione dallo stato di pozzo a quello di sorgente si verifica più tardi nello sviluppo, generalmente quando la foglia è al 25% circa dell'espansione e viene di solito completato quando raggiunge il 40-50% dell'espansione. L'esportazione va dall'apice alla base ma nel periodo di transizione dalla prima vengono esportati zuccheri e la seconda li importa da altre foglie sorgente. La maturazione porta una inversione di direzione di trasporto da importazione a esportazione.

Organizzazione dell'azoto a partire dal nitrato

L'azoto, macronutriente essenziale per le cellule vegetali, entra a far parte nella costituzione di molte molecole di importanza biologica (proteine, vitamine, DNA, ATP, clorofilla). Le piante assorbono azoto dal terreno essenzialmente in forma di nitrato (NO₃^-) o di ammonio (NH₄⁺). L’assorbimento di NO₃^- è svantaggioso per la pianta: infatti se la pianta assorbe nitrato, prima che esso venga organicato, cioè inserito nello scheletro carbonioso per formare un composto organico, deve essere ridotto prima in nitrito e poi in ammonio, e questo processo è costoso energeticamente. Esistono dei trasportatori, sia per il nitrato che per l’ammonio, che permettono di trasportare questi composti inorganici nelle cellule delle piante.

Il nitrato è assorbito nelle cellule radicali attraverso un meccanismo attivo di simporto, cioè un trasporto contemporaneo di due molecole: per ogni molecola di nitrato che viene trasportata all’interno della cellula vegetale, si ha anche l’ingresso di 2H⁺ (2H⁺/NO₃^-). Questo meccanismo di simporto è energizzato dal gradiente elettrochimico generato dall’estrusione di protoni nell’apoplasto ad opera della H⁺/ATPasi della membrana plasmatica. Per essere assimilato, l’NO₃^- deve essere prima ridotto a NH₄⁺, e ciò richiede due reazioni:

1. Riduzione di NO₃^- a NO₂^-, avviene ad opera della nitrato riduttasi (NR):
   NO₃^- + NAD(P)H + H⁺ → NO₂^- + NAD(P)⁺ + H₂O.
   La NR è un enzima citosolico, un omodimero, è formato cioè da due subunità identiche, ognuna contenente un gruppo FAD, un gruppo ferro eme e un complesso molibdeno pterina.
2. Riduzione di NO₂^- a NH₄⁺ ad opera della nitrito riduttasi (NiR):
   NO₂^- + 6Fd_rid + 8H⁺ → NH₄⁺ + 6Fd_ox + 2H₂O.
   La NiR è un polipeptide, formato cioè da più subunità: possiede due gruppi prostetici, un centro ferro-zolfo e un gruppo siroeme.
   La seconda reazione utilizza Fd_rid, ma nel plastidio abbiamo Fd_ox: l’ossidazione di questa ferredossina avviene per mezzo dell’enzima ferredossina NADP⁺ riduttasi (FNR).