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Riassunto esame Fisiologia vegetale, prof. Federico, libro consigliato Fisiologia vegetale, Taiz -ediz.2004

Riassunto per l'esame di Fisiologia Vegetale con il prof Federico, basato su appunti personali e studio autonomo del libro consigliato dal docente “Fisiologia vegetale” di L. Taiz, anno 2005, . Integrato con appunti delle lezioni.
Fra gli argomenti: acqua, bilancio idrico, nutrizione minerale, trasporto dei soluti, fotosintesi, ciclo di calvin, ciclo del c4, metabolismo cam, floema,... Vedi di più

Esame di Fisiologia vegetale docente Prof. R. Federico

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ESTRATTO DOCUMENTO

Quando invece l’anidride carbonica è presente a maggiore concentrazione, questa energia non viene

perduta nello spazio, ma resta intrappolata nelle molecole di CO , e quindi nel sistema

2

Terra/atmosfera, determinando (in parte) il riscaldamento globale.

D CO

IFFUSIONE DELLA NELLA FOGLIA

2

La velocità di diffusione della CO nella foglia dipende dalla sua concentrazione. L’anidride

2

carbonica entra dagli stomi, si diffonde nella camera sottostomatica e negli spazi intercellulari fino

al mesofillo. Fin qui la CO si diffonde in fase gassosa.

2

Il resto del cammino avviene in fase liquida, perché il gas entra in contatto con lo strato acquoso

che copre le pareti cellulari e si solubilizza. In questo stato, passa nel citosol e poi nel cloroplasto.

Quindi, per arrivare a destinazione la CO incontra numerose resistenze:

2

Resistenza dello strato limite: diminuisce con l’ampiezza fogliare e con la velocità del

 vento. Per questo le foglie desertiche sono piccole e quelle tropicali sono ampie.

Resistenza stomatica: è una delle più alte resistenze della pianta, per cui spesso è l’unica ad

 essere considerata. Il modo migliore per facilitare l’ingresso dell’anidride carbonica sarebbe

aprire di più gli stomi. Tuttavia, la via percorsa dall’acqua in fase di evaporazione è la stessa

della CO in fase di ingresso, e poiché l’acqua diffonde 50 volte più velocemente

2

dell’anidride carbonica, una maggiore apertura degli stomi porterebbe una troppo elevata

perdita d’acqua (soprattutto in ambienti secchi).

Resistenza degli spazi aeriferi intercellulari: abbastanza piccola.

 Resistenza della fase liquida

C CO

URVA DI ASSIMILAZIONE DELLA 2

Come esiste una curva di assimilazione della luce, esiste anche una curva di assimilazione della

CO . Su y vengono indicati i valori di assimilazione della CO , mentre su x è posta la sua

2 2

concentrazione ambientale (pag. 289).

A concentrazioni molto basse di CO , l’anidride carbonica prodotta dalla respirazione è maggiore di

2

quella fissata con la fotosintesi, con il bilancio di un suo efflusso netto.

Se la concentrazione aumenta, si raggiunge il punto di compensazione della CO , al quale la

2

velocità di respirazione e di fotosintesi si eguagliano, per cui l’efflusso di CO dalla pianta è uguale

2

a zero.

Se aumenta ancora, l’assimilazione della CO diventa dipendente prima di tutto dalla capacità

2

carbossilante della rubisco, e poi dalla capacità degli enzimi del ciclo di Calvin di rigenerare in

fretta il ribulosio-1,5-difosfato, che a sua volta dipende dalla velocità di trasporto degli elettroni.

Mentre le piante C continuano ad aumentare l’efficienza fotosintetica all’aumentare della

3

concentrazione di CO , quelle C arrivano ben presto ad un punto di saturazione, oltre il quale non

2 4

possono procedere.

Questo porta delle conseguenze: le piante C hanno bisogno di meno rubisco per crescere e quindi

4

di meno azoto. Quindi le piante C utilizzano meglio l’acqua e l’azoto, ma il costo energetico

4

elevato le rende meno efficienti nell’uso della luce.

Stessa cosa accade per le piante CAM, in cui il vacuolo (che accumula il malato) ha una capienza

limitata, e quindi un aumento della concentrazione di CO non porta alcun vantaggio.

2

D ISCRIMINAZIONE DEGLI ISOTOPI DEL CARBONIO 12 13 12

Il carbonio esiste sotto forma di tre isotopi, di cui due ( C e C) sono i più abbondanti ( C da solo

14

copre il 98%), mentre il terzo ( C) è praticamente irrilevante.

12 13 12

C e C hanno proprietà praticamente identiche, ma le piante utilizzano molta più C vista la sua

abbondanza. In pratica le piante sono capaci di discriminare fra i due isotopi, ed addirittura c’è una

differenza di discriminazione fra le piante C e le C : in queste ultime, infatti, la rubisco ha una

4 3

13

forte repulsione per la C, mentre nelle C la PEP carbossilasi ha una repulsione molto più blanda.

4

12 13

Osservando il rapporto fra C e C in una pianta, è possibile determinare se ha un metabolismo C 3

(in cui è più abbondante la rubisco) o C , in cui prevale la PEP carbossilasi. È possibile studiare

4

sotto questo punto di vista anche i pollini fossili: queste osservazioni ci hanno mostrato il

cambiamento dei metabolismi nel corso dei millenni.

13

Le piante CAM possiedono valori di C intermedi fra le due.

R ISPOSTE DELLA FOTOSINTESI ALLA TEMPERATURA

Un grafico che riporta la velocità della fotosintesi in funzione della temperatura, ha una tipica forma

a campana (pag. 292): la parte ascendente indica l’aumento dell’efficienza fotosintetica con

l’aumentare della temperatura, la curva rappresenta il punto di optimum (punto in cui i passaggi

della fotosintesi sono tutti bilanciati in maniera ottimale) e la parte discendente indica l’insorgere di

effetti deleteri, se la temperatura continua ad aumentare.

L’importanza della temperatura aumenta all’aumentare della concentrazione di anidride carbonica

nell’atmosfera.

Nelle piante C , la velocità di respirazione aumenta con la temperatura, mentre le C non ne sono

3 4

influenzate. Aumentando la velocità di respirazione, aumenta anche l’energia richiesta per fissare

una molecola di CO , per cui la resa quantica diminuisce.

2

TRASLOCAZIONE NEL FLOEMA

In questo capitolo si parla della traslocazione dei prodotti della fotosintesi dalle foglie al floema, e

del loro trasporto nella pianta.

V IE DI TRASLOCAZIONE

L A SCOPERTA DELLA TRASLOCAZIONE NEL FLOEMA

I primi studi sulle vie di traslocazione del floema furono intrapresi da Malpighi, attraverso la

tecnica della decorticazione ad anello (pag. 299).

La decorticazione non portava effetti immediati sulla traspirazione perché, come si era già scoperto,

l’acqua viene trasportata dallo xilema, che si trova più internamente alla corteccia (quindi non viene

rimosso con questo sistema).

Invece, dopo qualche tempo si notava un rigonfiamento sulla parte superiore dell’anello, proprio

alla base della corteccia rimasta: i prodotti della fotosintesi venivano accumulati lì, dove non

trovavano più una via per proseguire. La corteccia al di sotto dell’anello, intanto, muore: ne venne

dedotto che il floema trasporta i prodotti della fotosintesi ed il saccarosio dall’alto in basso, e

che compone la parte più esterna dei vasi conduttori (cioè in una sezione di fusto si trovano,

dall’interno verso l’esterno, lo xilema ed il floema). I vasi conduttori nel loro complesso formano le

nervature, sostenute dalla guaina del fascio, una serie di fasci di fibre. 14

Quando fu possibile utilizzare gli isotopi del carbonio per degli esperimenti, venne fornito del C

alla foglia di una pianta, in modo che questa lo fissasse. Attraverso l’autoradiografia è possibile

seguire la via percorsa dall’isotopo, e quindi anche dal composto in cui è stato inglobato (prodotto

della fotosintesi). In questa tecnica, parti del tessuto marcato della pianta vengono congelate,

disidratate, immerse in paraffina o resina e poi coperte da una emulsione tipo pellicola fotografica.

La radiazione delle zone marcate si imprime sulla pellicola in modo che, quando questa viene

sviluppata, appaiono dei granuli d’argento nel punto in cui era presente l’isotopo.

A NATOMIA DEL FLOEMA

Mentre lo xilema trasporta l’acqua ed i minerali dalle radici alle foglie, il floema trasloca i prodotti

della fotosintesi dalle foglie alle radici, oppure alle parti in crescita della pianta.

La principale differenza tra gli elementi tracheali e quelli che compongono il floema sta nel fatto

che questi ultimi, per svolgere la loro funzione, devono essere vivi.

Quando gli elementi cribrosi (le cellule del floema) cominciano a differenziarsi, i loro

plasmodesmi si allargano fino a raggiungere un diametro notevole e diventano pori cribrosi,

raggruppati in aree dette aree cribrose (pag. 301).

A seconda della forma e disposizione delle aree cribrose si differenziano due tipi di elementi

cribrosi:

Le cellule cribrose sono allungate e dalle estremità affusolate, con aree cribrose identiche

 su tutta la superficie, tipiche delle Gimnosperme.

I tubi cribrosi sono invece più corti ed hanno le estremità piatte o trasversali, composte da

 una serie di ampi pori cribrosi che formano una placca cribrosa. Sulle pareti della cellula

sono presenti le normali aree cribrose per il trasporto fra cellule adiacenti. Sono tipici delle

Angiosperme.

Una caratteristica particolare di entrambi gli elementi cribrosi è il fatto che, pur restando vive,

queste cellule perdono il nucleo ed il vacuolo: per questo sono associate ad altre cellule più piccole

che svolgono per loro i compiti metabolici. Queste prendono il nome di cellule albuminose se sono

associate alle cellule cribrose, e di cellule compagne se invece sono associate ai tubi cribrosi. La

connessione è effettuata da un’ampia area cribrosa dal lato degli elementi cribrosi, e da larghi

plasmodesmi ramificati dal lato delle cellule compagne.

Le cellule compagne possono essere di tre tipi:

Cellule compagne comuni: sembrano essere connesse unicamente con gli elementi cribrosi,

 ed hanno degli organelli ipersviluppati.

Transfer cells: invaginano la parete cellulare dal lato opposto a quello che si collega con

 l’elemento cribroso. Si ritiene che, per la loro struttura, cellule compagne comuni e transfer

cells assumano i nutrienti dall’apoplasto o dalla parete cellulare.

Cellule intermedie: possiedono numerosi plasmodesmi, che le collegano specialmente con

 le cellule della guaina del fascio. Hanno cloroplasti poco sviluppati e piccoli vacuoli.

Quando i tubi cribrosi vengono danneggiati, le cellule compagne possono produrre la proteina P,

che chiude la lacerazione come un tappo. La depressione causata comunque dalla perdita del flusso

stimola la produzione di callosio, una soluzione a più lungo termine. Il callosio viene secreto dalla

membrana plasmatica e deposto fra questa e la parete cellulare. Può essere prodotto sia in caso di

danni meccanici, che in situazioni di stress come l’alta temperatura o la preparazione alla

dormienza. Sia la proteina P che il callosio isolano la linfa dalle zone danneggiate e vengono

rimossi quando il danno è stato riparato.

La presenza di questi “tappi” nei tubi cribrosi ha messo in crisi molti studiosi che stavano cercando

di capire il funzionamento del floema. Quando ancora non si conosceva l’esistenza di proteina P e

callosio, trovarsi di fronte ad un tubo tappato sembrava un controsenso.

D ALLA SORGENTE AL POZZO

Nel floema non si può parlare di trasporto dall’alto al basso, ma si parla di un trasporto da aree di

rifornimento (sorgenti) verso aree di accumulo o di metabolismo (pozzi).

È una sorgente qualsiasi organo possa produrre ed esportare dei fotosintati, che produce in eccesso

per il proprio fabbisogno (es. foglia); oppure una sorgente è un organo di accumulo (es. radice).

Sono pozzi tutti gli organi non fotosintetici della pianta, o quelli che comunque non producono

abbastanza per sé stessi (frutti, foglie non mature…).

A seconda delle stagioni un organo può essere pozzo o sorgente: le foglie adulte in estate sono una

sorgente, mentre le radici sono un pozzo; in primavera le radici sono una sorgente ed i germogli un

pozzo. Sorgenti specifiche sono connesse con pozzi specifici (vie preferenziali). Queste

connessioni seguono due criteri:

Vicinanza: le foglie all’apice della chioma riforniscono le foglie in via di maturazione o i

 frutti, mentre quelle più in basso riforniscono le radici. Le foglie intermedie esportano in

entrambe le direzioni.

Connessioni vascolari: le sorgenti riforniscono pozzi con cui hanno connessioni vascolari

 dirette.

Questi criteri di comunicazione possono essere alterati da ferite o potature. Allora il flusso deve

seguire una via alternativa (anastomosi). La capacità della pianta ad adattarsi a questa nuova via

dipende, fra l’altro, dalla quantità di interconnessioni fra i fasci vascolari.

L E SOSTANZE TRASLOCATE

A NALISI DEL SUCCO FLOEMATICO

Per studiare le caratteristiche del succo floematico, è stata sfruttata la capacità di alcune specie di

piante di versare fuori dal fusto la linfa in seguito ad una lacerazione. Tuttavia, la presenza di

strutture di riparazione tipo proteine P o callosio rende questa tecnica inutile, se non si usano gli

“strumenti” adeguati: gli afidi.

Gli afidi sono dei piccoli insetti che inseriscono la loro bocca (rostro) all’interno degli elementi

cribrosi. Il rostro è un tubo talmente sottile che il succo viene prelevato da una sola cellula del

cribro, fatto importante nell’analisi perché evita la contaminazione di altri tipi cellulari. La forza di

pressione all’interno della pianta spinge la linfa nel corpo dell’afide, che la metabolizza scartando

gli amminoacidi. L’eccesso di succo viene espulso sotto forma di melata, che viene analizzata.

Oppure, si può analizzare direttamente il succo floematico tagliando il rostro dell’afide, già inserito

nella pianta, e prelevando il succo che ne esce. Il prelievo può durare anche ore, perché il rostro

dell’afide inibisce i sistemi di riparazione.

C ONTENUTO DELLA LINFA ELABORATA

Le sostanze traslocate nel floema consistono principalmente in carboidrati. Di questi, il saccarosio

è il più abbondante (0,3 / 0,9 M), ed è formato da un monomero di glucosio ed uno di fruttosio.

Perché noi animali trasportiamo glucosio mentre le piante trasportano saccarosio? Il motivo è

che, mentre noi abbiamo bisogno di uno zucchero a bassa concentrazione che si muova

velocemente (un monomero), nelle piante la linfa è più lenta e quindi la concentrazione di zuccheri

deve essere più alta (un disaccaride).

I carboidrati traslocati sono tutti zuccheri non riducenti. Gli zuccheri riducenti (glucosio, fruttosio,

… ) possiedono un gruppo aldeidico o chetonico libero (pag. 309). Quelli non riducenti, invece,

hanno trasformato il loro gruppo aldeidico o chetonico in un gruppo alcolico (come accade per il

mannitolo, dal mannosio).

Gli zuccheri vengono traslocati in questa seconda forma perché sono meno reattivi. Il saccarosio,

infatti, reagisce al massimo con due o tre monomeri, per cui forma il raffinosio (+ 1 galattosio), lo

stachiosio (+ 2 galattosio), il verbascosio (+ 3 galattosio).

Nel succo floematico troviamo anche azoto, sotto forma di ammine e amminoacidi (specialmente

glutammato e aspartato), numerosi ormoni (auxine, gibberelline, citochinine e acido abscissico),

nucleotidi e proteine, anche sotto forma di enzimi (chinasi, tioredossina, ubiquitina – segnala le

proteine da rimuovere, chaperonine).

Sono inoltre presenti numerosi ioni inorganici (potassio, magnesio, fosfato, cloro).

V ELOCITÀ DEL FLUSSO FLOEMATICO

La velocità delle sostanze nel floema viene espressa come velocità di trasferimento di massa, cioè

la quantità di materiale che passa attraverso una sezione trasversale di floema nell’unità di tempo.

2

In media, la velocità è di 10 gr l’ora per cm .

La velocità di movimento nel floema viene studiata con traccianti radioattivi: ad esempio, la CO 2

14

di una foglia può essere marcata con C. La lunghezza della via, divisa per il tempo necessario per

trovare la marcatura nel pozzo, fornisce una misura della velocità.

Oppure, si può usare come punto di partenza un pozzo e non una foglia, in modo da eliminare dal

tempo calcolato quello necessario per la fissazione del carbonio.

C ARICAMENTO DEL FLOEMA

Per caricamento del floema si intende il movimento dei prodotti fotosintetici dai cloroplasti ai vasi

del floema.

Innanzitutto, la GAP prodotta durante il giorno dalla fotosintesi deve essere trasferita dal

cloroplasto al citosol, dove viene convertita in saccarosio. Durante la notte, anche l’amido è

convertito in saccarosio.

Tutto questo saccarosio si sposta dal mesofillo fino alle venature più piccole della foglia. Poiché il

tragitto è molto breve, si parla di via di trasporto a breve distanza.

A questo punto avviene il caricamento, per cui gli zuccheri sono trasportati nelle cellule del cribro

con dispendio di energia (la concentrazione è superiore a quella nel mesofillo). Una volta nel cribro,

gli zuccheri sono traslocati lontano dalla sorgente, in un processo noto come esportazione.

Visto che in questo caso il cammino è molto più lungo, si parla di trasporto a lunga distanza.

I ’

FOTOSINTATI CARICATI SI MUOVONO ATTRAVERSO L APOPLASTO O IL SIMPLASTO

Tutti i componenti del succo floematico, ad eccezione degli zuccheri, vi entrano a far parte per

diffusione. Sono state proposte due vie di movimento degli zuccheri (pag. 313):

Via completamente simplastica: si muovono, passando per i plasmodesmi, dal cloroplasto

 al citosol, e poi dalle cellule del mesofillo fino a quelle del floema.

Via parzialmente apoplastica: dal simplasto delle cellule del mesofillo, il flusso può

 passare in un qualsiasi momento all’apoplasto, fino a raggiungere le piccole venature e

tornare nel simplasto.

Il saccarosio segue in genere una via apoplastica, ma nelle piante che possiedono cellule compagne

intermedie passa per la via simplastica.

Consideriamo il trasporto apoplastico del saccarosio. Quando deve passare nella cellula compagna

del cribro, il saccarosio torna alla via simplastica. L’alta concentrazione di protoni nell’apoplasto e

la tendenza a raggiungere un equilibrio chimico ed elettrico fra questo ed il simplasto, forniscono

+

l’energia per la traslocazione del saccarosio, che utilizza un simportatore saccarosio-H (senza

dispendio di energia - pag. 315). +

Sulla membrana della cellula compagna, al simportatore è associata una H -ATPasi che, bruciando

ATP, trasloca protoni contro un gradiente. Quindi, fatte le somme, anche se sfrutta il gradiente di

protoni, la traslocazione del saccarosio è dispendiosa.

I L CARICAMENTO DEL FLOEMA È MOLTO SELETTIVO

Durante il caricamento, sembra che molti plasmodesmi operino una selezione degli zuccheri, cioè

sembra che ne scartino alcuni e ne facciano passare altri, distinguendoli in base alla loro grandezza.

Secondo il modello della trappola per polimeri, il saccarosio diffonde dalle cellule della guaina

del fascio verso le cellule intermedie (pag. 317). Qui si assembla con una o più molecole di

galattosio e forma raffinosio e stachiosio, i cosiddetti zuccheri da trasporto.

I plasmodesmi attraverso i quali è passato il saccarosio, sono troppo piccoli per permettere il

passaggio di questi due polimeri, che sono quindi costretti a proseguire verso gli elementi del

cribro.

Questo modello permette di spiegare perché la concentrazione di zuccheri di trasporto è più bassa

nella guaina e nel mesofillo che non nel resto del sistema.

S CARICAMENTO DEL FLOEMA

Lo scaricamento del floema segue più o meno gli stessi principi del caricamento (pag. 320).

Può essere simplastico, se tutte le cellule della via sono collegate da plasmodesmi, oppure

apoplastico. In quest’ultimo caso, o lo scaricamento avviene per via apoplastica (il complesso

cellula compagna/cribro non è collegato al resto della via) e poi il cammino prosegue per via

simplastica, oppure lo scaricamento è simplastico, ma non tutte le cellule della via sono collegate,

per cui ci sarà ad un certo punto un passaggio simplasto/apoplasto/simplasto.

Il saccarosio scaricato nel pozzo può essere scisso da un’invertasi sia dentro la parete cellulare, sia

nel citosol, sia direttamente nel vacuolo.

I POTESI DEL FLUSSO DA PRESSIONE

Tutte le teorie proposte sul caricamento e lo scaricamento implicano l’uso dell’energia. Le teorie

attive affermano che è necessaria dell’energia anche per far avvenire la traslocazione stessa, mentre

le teorie passive affermano che l’energia spesa dagli elementi del cribro non è la forza per la

traslocazione, ma serve a mantenerli funzionali ed a ricaricare eventuali perdite di zuccheri.

L’ipotesi del flusso da pressione (pag. 325), che spiega meccanicamente come siano possibili

caricamento e scaricamento del floema, fa parte delle teorie passive.

I L RESPONSABILE DELLA TRASLOCAZIONE È UN GRADIENTE DI PRESSIONE

L’ipotesi del flusso da pressione fu proposta da Munch nei primi anni del 1900. Essa afferma che il

flusso degli elementi all’interno del cribro è dovuto ad un gradiente di pressione, generato

osmoticamente fra la sorgente ed il pozzo.

Munch ebbe quest’idea da un esperimento in laboratorio. Prese un contenitore pieno d’acqua e vi

immerse due ampolle di vetro semipermeabile, collegate da un tubo di vetro che non era immerso in

acqua. Nella prima c’era una soluzione di saccarosio 2 M e nella seconda 0,1 M: Munch osservò

che l’acqua entrava dal contenitore nella prima ampolla e spingeva la soluzione a salire attraverso il

tubo di vetro, attraversarlo e versarsi nella seconda ampolla. Quindi applicò gli studi alle piante ed

ideò la sua ipotesi.

Il caricamento del floema (che richiede energia) genera un potenziale osmotico molto basso nelle

cellule del cribro adiacenti alla sorgente (ricordiamo che il potenziale osmotico ha segno negativo).

Di conseguenza, si determina un basso potenziale idrico (più basso dello xilema) che viene

compensato dall’arrivo di varie molecole d’acqua, sia dallo xilema che dalle cellule compagne (che

le prendono dalla sorgente). La pressione di turgore aumenta e si genera un flusso di massa d’acqua

e soluti che viaggia fino al pozzo.

All’altezza del pozzo, viceversa, lo scaricamento del floema determina un aumento del potenziale

di soluto negli elementi del cribro, accompagnato da un aumento del potenziale idrico (più alto

dello xilema). L’acqua è quindi spinta a passare nello xilema e diminuisce la pressione di turgore

delle cellule del cribro.

Questa diminuzione di pressione di turgore al pozzo ed aumento alla sorgente, provoca il

movimento direzionale del flusso di massa.

La presenza delle placche cribrose fa sì che fra pozzo e sorgente non si rigeneri l’equilibrio: le

placche offrono resistenza e, nel tempo in cui il flusso è trattenuto presso le placche, vengono

ristabilite le differenze di potenziale.

Riosservando il meccanismo di traslocazione, però, sembrerebbe che l’acqua si muova contro un

gradiente di pressione idrica. In effetti questo è vero, ma bisogna considerare il problema sotto un

altro punto di vista: l’acqua nel floema si muove più per flusso di massa che non per osmosi. Non

vengono attraversate membrane fra una cellula del cribro e l’altra, e l’acqua segue semplicemente il

flusso di massa dei soluti.

P REVISIONI BASATE SUL MODELLO DEL FLUSSO DA PRESSIONE

Accettato il modello, ne conseguono delle previsioni:

Affinché funzioni, i pori delle placche cribrose non devono essere ostruiti.

 All’inizio fu difficile prelevare delle cellule cribrose in cui le placche restavano aperte,

perché la lacerazione dovuta al prelievo faceva subito entrare in azione la proteina P (per

questo nei primi prelievi venivano trovati molti pori ostruiti). Più tardi venne usata una

tecnica di congelamento e fissazione, che permetteva di osservare in vitro i pori aperti.

Osservarli in vivo fu molto più complesso (pag. 327). La tecnica è stata sviluppata solo nel

1998: viene presa una foglia, ancora attaccata alla pianta, e sulla nervatura principale

vengono incise due finestre, a distanza di pochi centimetri una dall’altra. Su quella più

vicina alla base della foglia si pone una lente, mentre dall’altra s’inserisce nella nervatura un

composto radioattivo, che può essere traslocato nel floema. La prima volta che venne usata

questa tecnica, osservando nella prima finestrella all’interno di quali canali il composto

viaggiava, si poté determinare con precisione la posizione delle cellule del floema, si scoprì

con certezza che erano vive e che i pori erano aperti.

All’interno dello stesso elemento cribroso, non c’è un trasporto bidirezionale.

 Poiché l’ipotesi del flusso da pressione è una teoria passiva, non deve essere richiesta molta

 energia. Di conseguenza, problemi che implicano la diminuzione dell’ATP nella pianta non

dovrebbero toccare quasi per niente il trasporto nel floema.

A tal proposito è stato osservato che, a bassa temperatura (bassa produzione di ATP), il

raffreddamento del picciolo di una foglia sorgente non compromette il trasporto nel floema.

L’ipotesi del flusso da pressione richiede un gradiente di pressione positivo (alto presso le

 sorgenti e basso ai pozzi).

Per misurare i valori di potenziale idrico ed osmotico, vennero usati degli aghi collegati a

dei manometri (un manometro è un capillare di vetro riempito parzialmente di liquido,

aperto solo dal lato dell’ago). Il problema di questa tecnica era che l’ago rompeva molte

cellule del cribro, diminuiva la pressione e le misurazioni non erano esatte.

L’utilizzo di micromanometri o dei rostri degli afidi ha risolto il problema.

ASSIMILAZIONE DEI NUTRIENTI

In questo capitolo vengono descritti i meccanismi di base per l’assimilazione dei nutrienti

principali (azoto, zolfo, fosfato, cationi e ossigeno).

L’incorporazione degli elementi minerali in sostanze organiche come pigmenti, cofattori di enzimi,

lipidi, acidi nucleici o amminoacidi è definita assimilazione degli elementi nutritivi.

L’assimilazione di azoto e zolfo è quella che richiede più energia. 2+

Gli altri nutrienti assorbiti devono prima combinarsi con dei composti organici (Mg con la

clorofilla, …) per essere assimilati.

A ’

SSIMILAZIONE DELL AZOTO

L’azoto è parte essenziale delle proteine, degli acidi nucleici, della clorofilla e dell’eme, e compone

il 78% dell’atmosfera. È un composto molto versatile perché ha molti stadi di ossidazione: da +5 a

-3. La forma più abbondante in natura è quella a stato di ossidazione 0.

Sembrerebbe impossibile avere carenza di questo elemento, ma in realtà il legame interno della

molecola di azoto è talmente forte, e necessita di talmente tanta energia per essere spezzato, che

incorporare l’atomo di azoto nelle molecole organiche diventa difficile. 3-

Le piante possono assorbire l’azoto sotto forma di azoto atmosferico N oppure di nitrato NO .

2

Il nitrato viene prodotto dall’ossidazione dei sali di ammonio del terreno, che vengono convertiti a

nitrito. Anche questo subisce ossidazione e passa a nitrato. I nitrati possono anche essere

direttamente immessi nel terreno dai fertilizzanti, composti da ammoniaca e nitrati. Il danno

maggiore dovuto all’uso di questi prodotti riguarda l’inquinamento delle acque: attraverso le

piogge, i fertilizzanti entrano nell’acqua e provocano una forte crescita delle alghe. Al momento

della loro morte, i batteri decompositori aerobici privano l’acqua dell’ossigeno disciolto,

determinando la morte per asfissia degli organismi acquatici.

I sali di ammonio possono provenire da due fonti:

Piogge: i fulmini rompono le molecole d’acqua e ossigeno dell’atmosfera, stimolano la

 formazione di radicali –OH, atomi di idrogeno e di ossigeno liberi. Questi si combinano con

l’azoto formando l’acido nitrico (HNO ), che precipita sotto forma di pioggia.

3

Sostanza organica morta: attraverso la fissazione biologica (che occupa l’80% del ciclo

 dell’N), le piante acquisiscono l’azoto atmosferico e lo rendono disponibile agli animali.

Quando questi e le piante muoiono, la loro ammonificazione (degradazione degli

amminoacidi ad ammoniaca – NH ) forma i sali di ammonio. La fissazione biologica è

3

l’unica reazione endoergonica del ciclo dell’azoto.

L’ AZOTO IN FORMA TOSSICA

Prima di morire, le piante possono accumulare una grossa quantità di nitrato, un composto tossico

per gli animali se ingerito in alte concentrazioni: l’animale va incontro a metemoglobinemia, per

cui il fegato riduce il nitrato a nitrito, il quale si lega all’emoglobina e le impedisce di legare

l’ossigeno.

Il nitrato può anche essere convertito in nitrosammine, composti cancerogeni. Le nitrosammine

sono presenti anche nel fumo di sigaretta, a causa dell’eccesso di nitrato presente nei vacuoli delle

piante di tabacco.

Alte concentrazioni di ammonio sono tossiche sia per gli animali che per le piante, perché

4+

l’ammonio dissipa il gradiente protonico transmembrana (pag. 388): l’NH reagisce con gli ioni

-

–OH dello stroma o del citoplasma, diminuendone la concentrazione e dunque anche il pH.

L’NH che si forma dopo la reazione entra nel vacuolo o nello spazio intermembrana dei tilacoidi e

3 + 4+ +

reagisce con H , riformando NH . Questa reazione ruba H dall’ambiente ed aumenta il pH. Il

risultato delle due reazioni è la dissipazione del gradiente protonico.

Per difendersi, molti animali sono in grado di riconoscere una sostanza troppo ricca di ammonio

dall’odore, mentre le piante cercano di accumularlo nel vacuolo.

A SSIMILAZIONE DEL NITRATO 3-

Parte dell’azoto è assorbito dalle piante in forma di nitrato (NO ), che deve essere convertito in tre

2- 4+

diverse forme, una più energetica dell’altra: prima il nitrito (NO ), poi l’ammonio (NH ) e poi

l’azoto ammidico della glutammina. Questo processo consuma 12 ATP per ogni molecola di

nitrato assorbita.

Il nitrato assorbito dalle radici, dunque, viene convertito in nitrito. La reazione avviene nel citosol

ed è catalizzata dalla nitrato reduttasi:

3- + - 2- +

NO + NADH + H + 2e NO + NAD + H O

 2

La nitrato reduttasi è formata da due subunità identiche (omodimeri), ognuna delle quali contiene

tre gruppi prostetici (gruppi che aiutano l’attività dell’enzima e vi restano sempre legati - non

come i cofattori che se ne distaccano): FAD, eme e mobildeno, legato all’enzima tramite una

molecola organica detta pterina.

Il NADH si lega al FAD e gli trasferisce due elettroni, che passano all’eme, al complesso del

mobildeno ed infine al nitrato.

La nitrato reduttasi è un enzima inducibile (ed infatti la sua è la tappa lenta di tutta la serie di

reazioni), dipendente da luce e carboidrati: il loro aumento di concentrazione stimola la

produzione di una proteina fosfatasi che defosforila dei residui di serina sull’enzima, attivandolo.

Viceversa al buio, in cui si verifica una fosforilazione. In questo modo, la cellula può permettersi di

produrre ed accumulare l’enzima senza che questo sia necessariamente attivo, in modo che la

regolazione avvenga molto rapidamente e non sia necessario aspettare che l’enzima sia sintetizzato

ogni volta ex-novo.

Il nitrito, potenzialmente tossico, viene convertito in ammonio dopo essere stato trasferito nei

plastidi. L’enzima nitrito reduttasi catalizza una reazione in cui gli elettroni passano da una

ferredossina al nitrito, secondo la reazione:

2- + - 4+

NO + 6Fd + 8H + 6e NH + 6Fd + 2H O

red ox 2

La ferredossina ridotta viene presa (e poi restituita in forma ossidata) dalla catena di trasporto degli

elettroni nel cloroplasto.

In questo caso l’enzima è formato da una sola subunità che contiene due gruppi prostetici: un centro

ferro-zolfo ed un gruppo eme (detto xiro-eme). La ferredossina passa gli elettroni al centro ferro-

zolfo, il quale li passa all’eme, che reagisce con il nitrito e l’idrogeno e forma ammonio.

Per evitare che l’accumulo di ammonio (sopportato fino ad una concentrazione di 2-3 mM)

danneggi la pianta, esso viene rapidamente convertito in amminoacidi in due reazioni.

La prima è catalizzata dalla glutammina sintasi (GS):

4+

glutammato + NH + ATP glutammina + ADP + P

 i

La seconda reazione è catalizzata dalla glutammato sintasi, che trasferisce un gruppo amminico

dalla glutammina all’α-chetoglutarato. Il donatore di elettroni del processo può essere NADH o una

ferredossina: α-chetoglutarato + +

glutammina + + NADH + H (o Fd ) 2 glutammato + NAD (o Fd )

red ox

Esistono comunque delle vie alternative a questa per assimilare l’ammonio (pag. 392):

α-chetoglutarato

Ammonio e reagiscono per formare glutammato, in una reazione

 catalizzata dalla glutammato deidrogenasi. α-chetoglutarato.

Reazione di glutammato con ossalacetato, per formare aspartato ed

 Quest’ultimo può partecipare a varie reazioni che portano alla formazione di glutammato,

mentre l’aspartato reagisce con la glutammina e forma asparagina e glutammato.

La reazione è catalizzata dall’asparagina sintetasi.

In questo modo si formano due molecole di glutammato a partire da una.

Una volta assimilato nella glutammina e nel glutammato, l’azoto può essere incorporato negli altri

amminoacidi tramite delle reazioni di transamminazione, catalizzate da enzimi detti

amminotrasferasi.

Le reazioni catalizzate dalla glutammina sintasi (GS), dalla glutammato deidrogenasi (GD) e

dall’asparagina sintetasi (AS) sono coordinate: quando nella pianta è disponibile molta energia,

l’azoto viene immagazzinato sotto forma di glutammato, quindi GS e GD sono stimolate ed AS è

inibita.

Viceversa, se l’energia disponibile è scarsa, la pianta deve pensare ad accumulare riserve di azoto

sotto forma di asparagina, per cui viene stimolata l’attività di AS ed inibita quella di GS e GD.

F ’

ISSAZIONE BIOLOGICA DELL AZOTO

La fissazione biologica è il processo attraverso il quale, all’interno della pianta, l’azoto atmosferico

è direttamente convertito in ammoniaca. In questa forma, l’azoto viene inserito negli amminoacidi.

Il processo costa 16 ATP.

La nitrogenasi, l’enzima responsabile della fissazione biologica dell’azoto, funziona solo in

assenza di ossigeno. Per questo i rizobi (vengono chiamati così i batteri in grado di effettuare la

fissazione che entrano in simbiosi con le radici delle piante, specialmente leguminose, e Rhizobium

è il più noto batterio simbionte diazotrofo) devono adottare dei sistemi per mantenere

l’anaerobiosi.

L’apparato più conosciuto e diffuso per creare un ambiente artificiale privo di ossigeno è il nodulo,

un organo che le piante creano appositamente per la fissazione dell’azoto. La membrana di cui è

fatto è praticamente impermeabile ai gas, ed infatti al suo interno troviamo la minima

concentrazione di ossigeno necessaria alla cellula per sopravvivere. La sua permeabilità aumenta

all’aumentare della luce, ma diminuisce fortemente in presenza di nitrati o quando il suolo è secco.

All’interno dei noduli si trova una proteina chiamata leghemoglobina (da legume + emoglobina),

che dona al nodulo una tipica colorazione rosa. È prodotta in parte dal batterio (che fornisce un

gruppo eme) ed in parte della pianta, in risposta all’infezione.

Possiede un’elevata affinità verso l’ossigeno: in pratica accumula l’ossigeno necessario per

permettere al nodulo pochi secondi di respirazione (diminuisce la concentrazione di ossigeno libero,

non quella di ossigeno in generale).

La simbiosi fra le leguminose ed i rizobi non è un rapporto obbligato. In caso di necessità, i due

organismi si cercano vicendevolmente scambiandosi dei segnali: le radici della pianta secernono

flavonoidi ed altre sostanze che attirano i batteri. Questi iniziano la traduzione dei geni della

nodulazione (nod). Anche le piante possiedono dei geni specifici per la formazione del nodulo,

chiamati geni per la nodulina (geni Nod).

I geni nod producono delle proteine che facilitano la biosintesi dei fattori Nod della pianta. I fattori

sono specifici per ogni ceppo di Rhizobium: attivano infatti delle proteine poste nei peli radicali

delle leguminose, che dirigono i vari ceppi di batteri verso la pianta a cui sono meglio adattati.

I fattori Nod inoltre inducono l’allungamento del pelo radicale (pag. 399) e la formazione di

un’ansa all’estremità. I batteri, protetti dall’ansa, proliferano. La membrana del pelo si assottiglia e

si lacera in alcuni punti, in modo che i batteri possano penetrare al suo interno e formare il

filamento di infezione, una lunga sacca provvista di una propria membrana e parete, posta

all’interno della cellula del pelo.

Quando il filamento raggiunge la membrana plasmatica della cellula, si fonde con essa ed i rizobi

vengono rilasciati nell’apoplasto. Da qui si diffondono alle altre cellule. Intanto il filamento

continua ad espandersi, spingendosi sempre più in profondità, finché non raggiunge un’area di

cellule anomale: sono le cellule del primordio del nodulo, che si sono differenziate al momento

dell’infezione e si stanno preparando a formare il nuovo organo.

In queste cellule, il filamento d’infezione rilascia delle vescicole piene di rizobi. I rizobi si

moltiplicano finché non raggiungono un numero adeguato, quindi cominciano ad ingrandirsi e

diventano batteroidi, in grado di fissare l’azoto.

In acqua la fissazione avviene ad opera dei Cianobatteri in speciali cellule dette eterocisti: hanno

parete ispessita (per limitare l’ingresso di O ) e sono prive del PSII (che sviluppa ossigeno), quindi

2

non hanno problemi di inattivazione della nitrogenasi. Si differenziano ogni 10/15 cellule

vegetative, quando il batterio si trova in carenza di azoto.

Come Rhizobium, molti Cianobatteri vivono in simbiosi con delle piante, in questo caso acquatiche.

I cianobatteri vengono spesso utilizzati dall’industria agricola orientale, che si basa in genere

sull’uso di campi allagati: quando i terreni sono allagati i batteri proliferano, mentre quando sono

portati a secco muoiono e liberano l’azoto nel terreno.

I batteri che non possono formare le eterocisti devono in qualche modo creare un ambiente

anaerobio: il metodo più diffuso è quello di effettuare un’intensa respirazione e quindi di creare

delle condizioni microaerobiche.

Quindi, nella fissazione biologica dell’azoto si produce ammoniaca a partire dall’azoto molecolare,

secondo la formula: - +

N + 8e + 8H + 16ATP 2NH + H + 16ADP + 16P

2 3 2 i

Degli 8 elettroni coinvolti, 6 servono per ridurre l’azoto e due per ridurre l’idrogeno

(idrogenazione). La reazione è catalizzata dal complesso enzimatico della nitrogenasi.

Questo complesso è formato da due componenti: la Fe proteina e la MoFe proteina, entrambe

composte da gruppi Fe-S, associati a diverse componenti (Mo sta per mobildeno).

La reazione comincia (pag. 400) con la ferredossina (o con il NADPH) che dona elettroni alla Fe

proteina, la quale idrolizza ATP e riduce la MoFe proteina. A sua volta, questa riduce N .

2

+

La produzione di NH da N e H sarebbe esoergonica, ma il triplo legame dell’azoto molecolare è

3 2

difficile da rompere ed alza il livello di energia di attivazione.

La maggior parte dell’energia (dal 30 al 60%), comunque, va persa nella reazione che forma l’H 2

(idrogenasi), inevitabile perché alcuni intermedi della reazione sono molto reattivi in questo senso.

L’ammoniaca che viene prodotta deve essere convertita in una forma non tossica prima di essere

trasferita nello xilema: alcune leguminose formano ureidi (zone tropicali) ed altre ammidi (zone

temperate). Entrambi i composti vengono trasferiti ai germogli, dove vengono trasformati in

ammonio.

A SSIMILAZIONE DELLO ZOLFO

Lo zolfo ha, all’interno dei viventi, numerosissime applicazioni: forma i ponti disolfuro, necessari

alle proteine per assumere la loro struttura secondaria, forma i centri Fe-S, fa parte di molti siti

catalitici.

Come l’azoto, questa versatilità deriva dalla possibilità di assumere ben otto stadi di ossidazione

42- 2-

differenti: dal +6 del solfato (SO ), al +2 del solfuro (S ).

Lo zolfo viene assorbito principalmente dal suolo sotto forma di solfato, derivante dallo

sgretolamento delle rocce. Anche l’inquinamento atmosferico contribuisce ad aumentare la

concentrazione di zolfo disponibile, sotto forma di anidride solforosa (SO ) o acido solfidrico

2

(H S). L’anidride solforosa, a contatto con le piogge, diventa acido solforico (H SO ), principale

2 2 4

responsabile delle piogge acide.

Il solfato viene ridotto per formare cisteina, in una reazione che brucia 14 ATP.

Visto che è un composto molto stabile, il solfato viene attivato per reazione con l’ATP nel citosol e

forma l’APS (adenosina-5’-fosfosolfato) e PP . La reazione è catalizzata dall’ATP solforilasi ed è

i

endoergonica, per cui immediatamente il PP deve essere scisso in 2P e l’APS deve reagire di

i i

nuovo con ATP per formare il PAPS. 2-

Ristabilito l’equilibrio energetico, il PAPS è ridotto a solfito e poi a solfuro (S ).

In alternativa, il PAPS può essere convertito a tiosulfonato (S O ), a sua volta ridotto a solfuro;

2 3

oppure APS è ridotto direttamente a solfito ed a solfuro.

In ogni caso, il solfuro reagisce con l’O-acetilserina (da serina + acetil-CoA) per formare cisteina

ed acetato. La produzione di cisteina è regolata tramite un sistema a feedback, per cui la cisteina

controlla l’ingresso di solfato nella cellula. -4

Nella cisteina lo zolfo ha numero di ossidazione , quindi sono stati trasferiti ben 10 elettroni.

Poiché la tioredossina e la ferredossina sono alcuni dei trasportatori utilizzati, l’assorbimento dello

zolfo è più efficiente a livello delle foglie, dove queste molecole sono più abbondanti. Lo zolfo

viene quindi trasportato ai germogli sotto forma di glutatione, un trasportatore che esiste in una

forma ridotta monomerica ed una ossidata dimerica. Il glutatione garantisce quindi la coordinazione

fra l’assorbimento di zolfo da parte delle radici e l’assimilazione dal germoglio.

La metionina è un altro degli amminoacidi che possiede zolfo. Viene sintetizzata nei plastidi a

partire dalla cisteina. In forma di metionina e cisteina, lo zolfo può entrare a far parte di molti

composti, come l’acetil-CoA.

A SSIMILAZIONE DEGLI ALTRI NUTRIENTI

A SSIMILAZIONE DEL FOSFATO

42-

Il fosfato (HPO ) è assorbito dalle radici ed incorporato nei nucleotidi, nei fosfolipidi, …

Viene convertito in un composto organico dalla reazione di formazione dell’ATP, che lo lega

all’ADP mediante un legame estere fosforico.

L’ATP può essere prodotto nei mitocondri, tramite l’ossidazione del NADH nella fosforilazione

ossidativa, oppure nei cloroplasti, attraverso l’energia portata dalla luce.

Il fosfato può essere assimilato anche attraverso la glicolisi (nel citosol) in cui serve a formare gli

acil fosfati, molecole che possiedono talmente tanta energia da poter fornire il gruppo P i

direttamente all’ADP (fosforilazione a livello del substrato), senza mediazioni.

A SSIMILAZIONE DEL FERRO

Il ferro compone i centri Fe-S, forma l’eme e catalizza molte reazioni redox.

3+

Nel suolo il ferro è presente in forma ferrica (Fe ) all’interno degli ossidi. Poiché a pH neutro il

ferro ferrico è decisamente insolubile, per poterlo assorbire le piante cercano di acidificare il suolo,

2+

ridurre il ferro ferrico nella forma ferrosa (Fe ) o farlo reagire con dei chelanti (es. acido malico e

acido citrico), con cui forma dei composti stabili e solubili.

Le graminacee producono dei particolari chelanti chiamati fitosiderofori, degli amminoacidi che

non formano le proteine e si legano al ferro, portandolo dentro la membrana.

Il ferro libero (non inserito in altri composti organici) può reagire con l’ossigeno per formare ioni

superossidi, molto dannosi. Per questo le piante accumulano il ferro in eccesso in un complesso

chiamato fitoferritina, una sfera formata da molte subunità con un nucleo di ferro.

A ’

SSIMILAZIONE DELL OSSIGENO

A parte la respirazione, una via di assimilazione dell’ossigeno alternativa è la fissazione

dell’ossigeno, in cui l’ossigeno molecolare è aggiunto direttamente ai composti organici grazie alla

catalisi delle ossigenasi (mono o diossigenasi, a seconda del numero di atomi di ossigeno che

partecipano alla reazione).

Attraverso questa reazione viene prodotta l’idrossiprolina, componente essenziale dell’estensina,

una proteina della parete cellulare. P III:

ARTE

C RESCITA E

SVILUPPO

LA PARETE CELLULARE

In questo capitolo vengono descritte la struttura della parete cellulare degli eucarioti e le sue

funzioni.

A differenza delle cellule animali, quelle vegetali possiedono la parete cellulare.

In realtà, possiedono la parete anche i funghi, le alghe, i procarioti e gli archeobatteri. Quindi, si

potrebbe dire che gli animali rappresentino l’eccezione.

Le pareti cellulari di procarioti ed eucarioti sono molto differenti: nei primi, il componente

principale sono i peptidoglicani (N-acetilglucosammina ed acido N-acetil muramico), mentre nei

secondi si distinguono una struttura amorfa (la matrice) ed una cristallina (le microfibrille), e la

struttura è molto più complessa.

S TRUTTURA DELLA PARETE CELLULARE IN GENERALE

La parete cellulare è una struttura rigida. Funge da esoscheletro, che controlla la forma della

cellula, e permette l’esistenza della pressione di turgore. Quindi è indispensabile per

l’approvvigiona-mento idrico della pianta.

La crescita della pianta dipende sempre dalla parete, perché questa pone un limite al suo

allungamento. Gli spazi intercellulari, formati da sostanze appiccicose, incollano le cellule una

all’altra impedendo slittamenti, in netto contrasto con la struttura delle cellule animali.

La parete resiste al collasso dovuto alle pressioni negative dello xilema ed in certi casi è talmente

rigida da permettere alla pianta di accrescersi molto in altezza.

Nella parete viene accumulato molto carbonio sotto forma di polisaccaridi che, in caso di

necessità, possono essere idrolizzati e formare altri composti (es. nei semi). Il carbonio delle pareti

cellulari è così abbondante che la sua percentuale viene calcolata nel ciclo del carbonio.

I componenti della parete sono importanti anche ai fini del riconoscimento da parte di patogeni e

simbionti.

L’uomo sfrutta le pareti cellulari per produrre carta, tessuti, fibre, carbone, plastiche, pellicole, gel.

L E PARETI SONO MOLTO DIFFERENTI FRA LORO

Una delle principali differenze fra i diversi tessuti delle piante sta nell’architettura o nella

composizione della parete. Le pareti dell’epidermide, ad esempio, sono abbastanza sottili per

permettere la diffusione dei gas e della luce, mentre quelle dei tessuti conduttori o meccanici sono

abbastanza spesse.

Specifici “inserti” nella parete danno al tessuto le sue caratteristiche: lignina, cutina, silice, …

Addirittura, in una stessa cellula la parete può variare lo spessore o la composizione dei singoli

lati della parete, come ad esempio nella banda del Caspary o nell’epidermide, in cui la parete

superficiale è rivestita di cere per evitare l’eccessiva traspirazione.

In ogni caso, le pareti cellulari si dividono in due tipi:

Pareti primarie: sono tipiche delle cellule in crescita e meno differenziate di quelle

 secondarie. Comunque, ce ne possono essere di molto sottili o molto spesse, multistrato.

Piante che possiedono solo pareti primarie si dicono erbacee e non possono formare un

fusto legnoso.

Pareti secondarie: si formano alla fine dell’accrescimento, perché dopo la loro deposizione

 la cellula non può più ingrandirsi. In genere sono caratterizzate dalla presenza di molecole

impermeabilizzanti, particolarmente resistenti o elastiche, quindi donano un’alta specificità

al tessuto che compongono.

Piante che sviluppano pareti secondarie si dicono arboree ed hanno un aspetto legnoso.

C OME INIZIA LA SINTESI DELLA PARETE

L’evento che segna l’inizio della formazione della parete è la sintesi della piastra cellulare, che

divide le due cellule figlie. Si forma per unione di vescicole derivate dai dittiosomi e dall’ER, che si

organizzano attorno al fragmoplasto, un complesso derivato dall’associazione di pezzi di

microtubuli e vescicole.

All’interno delle vescicole si trovano i componenti della lamella mediana e della parete.

La formazione di nuova parete termina solo con la morte della cellula.

P ARETE PRIMARIA

La parete primaria è costituita da una rete regolare e rigida di microfibrille di cellulosa, immerse in

una matrice (o lamella mediana) vischiosa.

Considerando anche la lamella mediana, la parete primaria è composta per un 25% di cellulosa, un

25% di emicellulosa, un 35% di pectine e poi altre proteine.

L A LAMELLA MEDIANA

Ovviamente solo nelle piante pluricellulari, le pareti delle cellule adiacenti sono poste a contatto

una con l’altra tramite uno strato vischioso chiamato lamella mediana o matrice (pag. 489). Ha

una struttura amorfa, dovuta all’alto grado di ramificazione dei suoi componenti ed al loro ordine

sparso.

La lamella mediana è composta principalmente da emicellulose e pectine (pag. 489).

La componente essenziale della matrice sono le pectine, una classe di polisaccaridi solubili

sintetizzati dai dittiosomi. La loro parziale idrolisi porta alla formazione degli spazi intercellulari

(comunque presenti nei punti di incontro fra tre o quattro cellule).

Possono assumere una struttura ordinata “a scatola d’uovo” oppure restare sparse.

Si dividono in ramnogalatturonani, arabinani e galattani.

La più frequente pectina della lamella mediana è un polimero formato principalmente da acido

galatturonico (uno zucchero acido che, al posto del –COH del galattosio, porta –COOH), che si

lega alle microfibrille di cellulosa che compongono la parete primaria. -

Per legare cellule, le pectine formano ponti di calcio (due gruppi COO si legano uno da una parte e

2+

uno dall’altra di un atomo di Ca ). Essendo cariche negativamente, le pectine impediscono

l’ingresso di cationi, controllando in questo modo la permeabilità della lamella mediana.

Il legame più o meno stretto delle pectine nella matrice è da attribuirsi all’esterificazione dei

residui acidi durante la loro biosintesi: se i residui sono esterificati, infatti, non possono legarsi al

calcio e la tessitura sarà meno stretta. +

Se l’ambiente è troppo acido, inoltre, il legame può coinvolgere ioni H al posto del calcio e la

parete diventa più debole: variando il pH la pianta regola la rigidità della parete.

Altra caratteristica delle pectine è quella di formare gel vischiosi con l’acqua, di importanza

fondamentale in quanto il grado di idratazione della matrice influenza il tipo di tessitura e le

proprietà meccaniche della parete: questa sostanza elastica ne permette infatti la distensione, per

cui la matrice è elastica soprattutto nelle zone di crescita.

Quindi le pectine formano più che altro una struttura collosa, che garantisce l’adesione fra le cellule

ma ha scarsa resistenza meccanica.

Abbondantissime nella matrice sono le emicellulose (il nome deriva dal fatto che si pensava fossero

pezzi di cellulosa), polisaccaridi a catena ramificata formati soprattutto da galattosio e xilosio, e

prodotti nei dittiosomi: si dispongono fra le microfibrille della parete e creano una struttura simile al

cemento armato.

Sono polisaccaridi molto stabili, estraibili solo con alcoli.

Nelle dicotiledoni (le emicellulose variano molto fra pianta e pianta), le emicellulose sono

β

soprattutto xiloglucani, formati da uno scheletro di D-glucosio con legami 1 4, a cui si legano

dei residui di xilosio o galattosio. Queste ramificazioni prevengono l’assemblaggio in una struttura

cristallina.

L A PARETE PRIMARIA PROPRIAMENTE DETTA

La parete primaria è soffice ed idrofila, e si sostiene grazie alla pressione di turgore.

Il componente principale della parete primaria è la cellulosa, un polisaccaride che deriva

dall’associazione di lunghe catene di D-glucosio (fino a 25.000 molecole). L’unità costitutiva della

catena è il disaccaride cellobiosio. β

Le catene sono formate da legami di tipo 1 4 (pag. 492), che gli conferiscono una forma

appiattita. I residui glucosidici sono disposti a 180° l’uno rispetto all’altro, quindi per assumere la

forma appiattita devono ruotare, altrimenti il polimero che si forma è l’amido (forma a spirale, con

α

monomeri ruotati di 30° uno rispetto all’altro – legami 1 4).

La cellulosa ha un’estremità riducente (C ) ed una non riducente (C ): ruotando di 180°, la cellulosa

1 4

può formare con la sua estremità riducente dei legami idrogeno con microfibrille ad essa parallele.

L’aggregazione di più catene tramite i legami idrogeno porta alla formazione di microfibrille di

cellulosa, insolubili, che avvolgono la cellula ricoprendo completamente la membrana plasmatica.

Le singole microfibrille hanno una struttura cristallina, ma sono tenute assieme da componenti

amorfi.

Grazie alla sua complessa struttura, la cellulosa ha molte caratteristiche particolari: è resistente

come l’acciaio, è insolubile, chimicamente stabile ed è relativamente inaccessibile all’attacco degli

enzimi.

Ogni molecola di cellulosa si accresce solo ad un’estremità grazie all’azione dell’enzima cellulosa

sintasi, che aggiunge monomeri di glucosio. Questo enzima, è immerso nella membrana in una

struttura proteica a rosetta, formata da sei subunità.

La cellulosa sintasi assorbe UDP-glucosio dall’ambiente interno (probabilmente deriva dalla

scissione del saccarosio) e lo passa all’esterno della membrana plasmatica, dove viene aggiunto alle

microfibrille. Quindi le microfibrille si formano a partire dal centro delle rosette (pag. 493).

Sembra che la cellulosa sintasi sia in grado di traslocare all’esterno della membrana due molecole di

glucosio per volta, fatto che spiega perché l’unità costitutiva della cellulosa sia un dimero (il

cellobiosio).

Quando deve essere degradata, la microfibrilla si libera per prima cosa dei componenti amorfi.

A LTRI IMPORTANTI COMPONENTI DELLA PARETE PRIMARIA

La parete primaria contiene diverse classi di proteine strutturali e proteine enzimatiche.

Poiché le proteine strutturali vengono classificate in base alla composizione, si dividono in

proteine arabinogalattaniche, proteine ricche in idrossiprolina, in glicina e ricche in prolina.

Vengono secrete in risposta agli stress, come le ferite o l’attacco dei patogeni.

Le più abbondanti sono quelle ricche in idrossiprolina, un tempo chiamate tutte assieme estensina.

Rappresentano il 10% del peso secco della parete (un valore molto elevato, se si calcola che tutte le

proteine di parete ne compongono il 35%).

Le proteine ricche in idrossiprolina si associano alle emicellulose ed alle pectine della lamella

mediana, grazie al loro carattere basico (le pectine hanno molti gruppi acidi).

Legandosi fra loro, queste proteine formano una rete glicoproteica: attraverso i suoi pori decorrono

le microfibrille di cellulosa (che sono quindi perpendicolari alle proteine ricche in idrossiprolina),

secondo il modello della “trama e ordito”, che dona alta meccanicità alla parete. Le microfibrille,

poi, sono parallele alle emicellulose a cui si legano. A sostegno di questa ipotesi sta il fatto che le

proteine ricche in glicina si trovano solo nella parete primaria e non nella lamella mediana dove

manca la cellulosa.

Le proteine arabinogalattaniche, invece, più che dei legami interni si occupano dei legami con le

cellule adiacenti.

Le proteine enzimatiche sono principalmente di tre tipi:

Perossidasi: catalizzano la formazione di legami tra le proteine ricche in idrossiprolina e le

 emicellulose, e controllano in questo modo l’elasticità della parete (diminuiscono le

possibilità di crescita a favore della resistenza).

Idrolasi: fungono da difesa contro i patogeni idrolizzandoli, ma aumentano anche la

 distensione della parete agendo sui suoi legami.

Enzimi redox

Delle volte la parete può contenere anche del callosio, un polimero del glucosio, i cui monomeri

β

sono uniti da legami 1 3. Il callosio è in grado di gelificare ed è un importante componente del

tubetto pollinico (una struttura riproduttiva).

Visto che gelifica abbastanza in fretta, il callosio non può essere accumulato nella cellula. Se la

pianta ne ha necessità immediata, però, potrebbe essere un problema dover prima sintetizzare i

componenti necessari al suo assemblaggio: le piante hanno risolto il problema usando la cellulosa

sintasi anche per sintetizzare il callosio. α β.

I funghi possiedono chitina nella loro parete, un polimero del glucosio con legami alternati e È

più idrofobica della cellulosa e forma anche l’esoscheletro degli insetti.

L A PARETE SECONDARIA

Tutte le piante hanno la parete primaria, mentre altre che devono essere più resistenti sviluppano

anche una parete secondaria o definitiva, che si dispone tra la parete primaria e la membrana

plasmatica.

Di solito le pareti secondarie fungono da supporto meccanico della pianta. Sono multistratificate e

differiscono nella composizione della parete primaria, sia per quanto riguarda la qualità che la

quantità dei componenti.

Nella parete primaria le microfibrille si trovano disposte un po’ in tutte le direzioni, a formare una

tessitura immersa nella matrice. Nella parete secondaria, invece, le microfibrille sono prevalenti

rispetto alla matrice ed hanno una tessitura parallela: formano tre strati (S , S ed S ) concentrici,

1 2 3

in cui le fibrille sono parallele una rispetto all’altra, ma inclinate diversamente tra uno strato e

l’altro. Questa disposizione permette di resistere a trazioni di qualunque tipo.

L IGNINA

La parete secondaria spesso è intrisa di lignina, una sostanza in grado di resistere all’attacco di

funghi, sostanze chimiche e batteri, ed è più indigeribile della cellulosa. La lignina è la sostanza

organica più abbondante in natura dopo la cellulosa.

È un polimero di fenil-propil-alcoli di tre tipi differenti, la cui catena si allunga per

polimerizzazione radicalica. Il radicale può trovarsi in un punto qualsiasi della molecola, la cui

struttura risulta quindi molto ramificata: la lignina non ha una forma definita, per cui è amorfa.

L’acquisizione della lignina da parte delle cellule provoca l’incrostazione della parete primaria,

di cui vengono alterate le proprietà. Si forma un complesso idrofobico e rigido che costituisce la

base strutturale per la costruzione dei tessuti vascolari e di sostegno. Quindi la capacità di

sintetizzare lignina è stata una forte spinta evolutiva.

La presenza di lignina elimina l’acqua dalla matrice e crea un legame fortissimo fra questa e le

microfibrille di cellulosa, per cui la parete diventa resistente alla tensione e alla compressione.

C UTINA E SUBERINA

Altri componenti tipici della parete secondaria possono essere la cutina e la suberina.

La cutina è un polimero composto da lunghe catene di acidi grassi saturi e insaturi. É associata a

sostanze cerose e dunque è altamente impermeabile ed usata per ricoprire le superfici

(cutinizzazione). All’esterno di una cellula intrisa di cutina si forma uno strato detto cuticola, che

ricopre tutta la superficie aerea della pianta, limitando l’eccessiva traspirazione e la diffusione dei

gas, e permettendogli di resistere alle drastiche variazioni ambientali.

Un esempio tipico di come un tessuto può essere intriso di cutina è l’epidermide: lo strato superiore

è formato da cere; subito sotto si trova uno strato di cere e cutina, quindi cere, cutina e polisaccaridi,

e subito sotto la lamella mediana.

La suberina è un polimero sintetizzato nelle cellule del sughero, le cui unità monomeriche sono

acidi grassi legati covalentemente a composti fenolici.

Lo strato di suberina è morto, e può essere molto o poco spesso e sovrastato da uno strato di

cellulosa. Queste cellule suberinizzate limitano la traspirazione, sono una barriera per l’attacco dei

patogeni e fungono da isolante termico. La suberina è presente anche nelle cellule della radice che

costituiscono l’endoderma e l’esoderma. Si assembla alla lignina formando la scorza, che noi

chiamiamo impropriamente corteccia.

IL FITOCROMO

In questo capitolo vengono descritte le caratteristiche e le funzioni del fitocromo, il fotorecettore

della luce rossa.

Una piantina che cresce al buio mostra una fisionomia molto differente da una che cresce alla luce,

σκοτοσ

per il fenomeno della scotomorfogenesi (da - buio).

In questa forma, i cloroplasti esistono semplicemente come ezioplasti, in cui la clorofilla è presente

in una forma inattiva. Tuttavia, anche un solo lampo di luce induce nella piantina una maggiore

crescita, la sintesi di alcuni pigmenti, ecc., segno di un cambiamento nell’espressione genica.

Questi cambiamenti non possono derivare dalla fotosintesi, proprio perché la clorofilla non è attiva,

ma derivano da risposte alla luce chiamate fotomorfogenesi.

Le piante, infatti, possono rispondere agli stimoli luminosi in tre modi differenti: con la fotosintesi,

con la fotomorfogenesi, cioè il sistema di controllo della morfogenesi operato dalla luce, diverso

dalla fotosintesi, e con il fototropismo, che si riferisce alla crescita differenziale mediata dalla luce

(es: rami che si dirigono verso la fonte di luce).

I più importanti pigmenti che permettono la fotomorfogenesi sono quelli che rispondono alla luce

blu o alla luce rossa.

P ROPRIETÀ FOTOCHIMICHE E BIOCHIMICHE DEL FITOCROMO

La molecola del fitocromo è stata isolata soltanto intorno agli anni ’60, in seguito ad alcuni

esperimenti di risposta alla luce rossa.

In questi esperimenti, gli studiosi di Bestville utilizzarono due tipi di luce rossa: la luce rossa a

650-680 nm (R) e la luce nel rosso lontano a 710-740 nm (FR). Dei semi di lattuga (sono semi

fotoplastici, perché la loro germinazione è stimolata dalla luce – i semi più grossi hanno abbastanza

nutrienti e la loro germinazione non dipende dalla luce) vennero sottoposti a stimolazioni da parte

di R e di FR alternate: quasi il 100% dei semi, se il trattamento terminava con una stimolazione R

germogliavano, viceversa non germogliavano.

Gli studiosi pensarono che esistesse un pigmento fotoreversibile, cioè in grado di cambiare forma

ed assorbire entrambe le lunghezze d’onda del rosso. Più tardi, questo pigmento fu isolato e

battezzato fitocromo.

F OTOREVERSIBILITÀ DEL FITOCROMO

Il fitocromo può esistere in due forme:

Pr: assorbe la luce nel rosso e si converte in Pfr. È la forma prodotta dalle piante eziolate

 (con ezioplasti e quindi prive di cloroplasti) ed è di colore blu. Può anche derivare dalla

stimolazione di Pfr con luce nel rosso lontano.

Pfr: assorbe la luce nel rosso lontano e si converte in Pr. Deriva dal Pr stimolato con la luce

 rossa ed è color verde acquamarina.

Gli spettri di queste due forme si sovrappongono nella regione del rosso (pag. 576), per cui Pfr

può assorbire anche la luce nel rosso (convertendosi comunque a Pr), mentre Pr assorbe quella nel

rosso lontano con un’efficienza davvero minima. Quindi le due forme sono in equilibrio: in

presenza di luce rossa, la maggior parte delle Pr sarà convertita lentamente in Pfr. Di questa, una

buona parte continuerà ad assorbire la luce rossa e sarà convertita velocemente in Pr.

Se la pianta è sottoposta a luce rossa, il Pr viene convertito a Pfr, ma l’85% di questo viene

convertito in Pr. Se la stimolazione avviene con luce nel rosso lontano, il Pfr è convertito a Pr, ma

una frazione piccolissima di questo si converte nella forma Pr. In ogni caso si raggiunge uno stato

fotostazionario per cui il 97% dei fitocromi totali è allo stato Pr ed il 3% Pfr.

Il fitocromo ha la possibilità di assorbire anche un po’ di luce blu, che ha l’effetto di convertire il Pr

in Pfr.

Fra le due forme, quella Pfr è la forma fisiologicamente attiva del fitocromo.

S TRUTTURA DEL FITOCROMO

Il fitocromo non è una proteina abbondante, persino nelle piantine eziolate (0,2% delle proteine

totali). Per estrarne anche solo una scarsa quantità (i maggiori studi si riferiscono a fitocromo

prelevato da piante di avena), quindi, c’è bisogno di chili di materiale.

Inoltre, le piante eziolate sono ricche di proteasi, enzima a cui il fitocromo è molto sensibile: per

questo le estrazioni devono essere effettuate molto velocemente e con molte precauzioni, o si

rischia di non poter prelevare la proteina integra.

Il peso molecolare del fitocromo è di circa 250 kDa.

È un dimero formato da due subunità identiche, ognuna formata da due componenti: un cromoforo

ed un’apoproteina.

Il cromoforo è un pigmento. Precisamente, il cromoforo usato nel fitocromo è un tetrapirrolo

chiamato fitocromobilina, legato all’apoproteina attraverso un legame tioestere con un residuo di

cisteina.

Solo il cromoforo o solo l’apoproteina non possono assorbire la luce, ma devono necessariamente

unirsi e formare l’oloproteina, dalla forma ellissoidale. La fitocromobilina viene sintetizzata nei

plastidi, mentre l’apoproteina nel nucleo. Si incontrano nel citosol, dove l’assemblaggio è

autocatalitico, cioè avviene senza bisogno di cofattori.

Comunque, sebbene non possa funzionare da solo, è il cromoforo la parte dell’enzima che reagisce

agli stimoli luminosi: dopo aver assorbito la luce, il cromoforo Pr va incontro ad una

isomerizzazione cis-trans (ruota attorno al doppio legame) ed assume una forma più distesa (Pfr).

Contemporaneamente, anche l’apoproteina modifica la propria conformazione, in modo che l’N-

terminale venga esposto un po’ meno (è la parte suscettibile alla luce e, dopo stimolazione, deve

essere nascosto).

Oltre che dalla forma delle subunità, le forme Pr e Pfr possono anche essere distinte

immunologicamente.

E SISTONO DUE TIPI DI FITOCROMO

Se si estrae il fitocromo dalle foglie eziolate oppure da quelle verdi, si possono trovare due diversi

tipi di fitocromo (e non due diverse forme), che hanno proprietà differenti: il fitocromo di tipo I

viene estratto da piante eziolate ed è molto più abbondante di quello trovato nelle piante verdi

(fitocromo di tipo II).

I due tipi di fitocromo sono trascritti da una famiglia genica chiamata PHY, composta da cinque

geni (PHYA-PHYE). PHYA è l’unico gene che codifica per il tipo I, ed infatti è attivo al buio ed

inattivo alla luce. Se una pinta eziolata viene irradiata con luce rossa, il fitocromo passa alla forma

Pfr, che inibisce la trascrizione di PHYA. Inoltre, l’mRNA di questo gene è instabile e non appena la

cellula viene stimolata dalla luce è degradato.

L OCALIZZAZIONE DEL FITOCROMO NEI TESSUTI E NELLE CELLULE

Localizzare una molecola all’interno dell’organismo è molto utile per determinarne la funzione.

Per effettuare questi studi sul fitocromo, è stato necessario usare la tecnica della spettrofotometria

in piante eziolate (pag. 582). Attraverso questo sistema, è stato scoperto che il fitocromo si

distribuisce soprattutto nelle zone meristematiche (gemma, nodi, parte terminale della radice).

Quando si studia in vivo, bisogna fare bene attenzione a non rompere le cellule, in modo che i

componenti restino al loro posto e gli studi siano più realistici. Dopo aver fissato il contenuto della

cellula, è possibile utilizzare degli anticorpi che evidenzino la presenza della molecola da studiare.

L’insieme di questi due metodi (fissazione ed uso degli anticorpi) si chiama metodo

immunocitochimico.

Attraverso questo sistema si può arrivare a conoscere la distribuzione del fitocromo nella cellula e

non sono nell’organismo. È stato così osservato che, nel passaggio alla forma Pfr, il fitocromo

cambia disposizione: da diffuso nel citosol a concentrato in zone specifiche, e viceversa.

R ISPOSTE INDOTTE DAL FITOCROMO

Visto che si trova nelle cellule meristematiche, il fitocromo deve svolgere un ruolo importante

soprattutto durante lo sviluppo.

Le risposte indotte nella pianta dal fitocromo possono essere distinte in due categorie: rapidi eventi

biochimici e lenti cambiamenti morfologici.

Le risposte morfologiche si verificano sempre dopo un tempo di ritardo o lag, variabile fra pochi

minuti (rotazione del cloroplasto – per rispondere alla direzione della luce, il fitocromo deve essere

ancorato alla membrana) e alcune settimane (fioritura).

I movimenti degli organelli sono i più rapidi, ma anche certe risposte di crescita possono essere

molto veloci. Più corto è il lag, minore sarà il numero degli eventi biochimici coinvolti.

Un meccanismo molto importante per il controllo delle risposte è la fuga dalla fotoreversibilità:

quando un ordine è già stato avviato, non se ne può inviare un altro finché il primo non è stato

portato a termine.

T IPI DI RISPOSTE

Le risposte al fitocromo possono essere distinte in base alla quantità di luce rossa richiesta o

-2

fluenza, definita come il numero di fotoni assorbiti per unità di area (unità di misura: mol m ).

Alcune risposte dipendono anche dalla radianza (l’intensità di luce che colpisce un oggetto).

Si distinguono così tre tipi di risposte (pag. 587): -2

VLFR (risposte a fluenza bassissima): necessitano di una fluenza di soli 0,1 nmol m .

 Queste risposte stimolano la crescita del coleottile e inibiscono quella del mesocotile.

La scarsa quantità di luce rossa assorbita converte meno dello 0,02% del fitocromo totale in

Pfr, cioè c’è bisogno soltanto di questa piccola quantità di Pfr per stimolare la risposta. La

stimolazione nel rosso lontano però riporta il 97% dei Pfr in Pr, ed un 3% resta Pfr: questo

valore è molto più alto di quello necessario per ottenere una risposta, che quindi non è

reversibile perché i valori di Pfr continuano ad essere superiori allo 0,02%.

µmol -2

LFR (risposte a bassa fluenza): necessitano di una fluenza di 1 m e si saturano a

 µmol -2

1000 m . Coinvolgono risposte reversibili, come la germinazione o lo spostamento di

una foglia.

La fluenza totale è data dalla somma della velocità di fluenza (la radianza in funzione del

tempo) e del tempo di irraggiamento. La legge della reciprocità, che si riferisce al

rapporto fra queste due grandezze, può essere applicata solo alle VLFR ed alle LFR: un

impulso breve di luce rossa indurrà una certa risposta solo se è abbastanza intensa, ed un

impulso prolungato potrà avere una risposta VLFR o LFR solo se è poco intenso.

HIR (risposte ad alta radianza): più dipendenti dalla radianza che non dalla fluenza (per

 questo non rispondono alla legge di reciprocità). Sono tutte risposte non reversibili.

Alcune delle risposte più importanti sono: la produzione di antocianine e flavonoidi

(proteggono la pianta dai raggi UV), l’induzione alla fioritura, l’inibizione

dell’allungamento dell’ipocotile, la sintesi o l’inibizione della sintesi delle proteine.

A DATTAMENTI ALLE CONDIZIONI DI LUCE

Poiché le differenti lunghezze d’onda del rosso provocano dei cambiamenti in un pigmento, che

quindi agisce in maniera differente a seconda della luce, possiamo pensare che le due lunghezze

d’onda diano alle piante delle informazioni importanti sulle condizioni dell’ambiente.

Infatti, il rapporto R/FR (luce rossa e rossa lontana) varia molto fra i diversi ambienti. Il rapporto

R/FR è definito come:

velocità di fluenza fotonica in una banda di 10 nm centrata sui 660 nm

R/FR = ----------------------------------------------------------------------------------------------------

velocità di fluenza fotonica in una banda di 10 nm centrata sui 730 nm

Se si osservano i valori di questo rapporto misurati appena sotto la superficie del terreno e poi nel

sottobosco, si nota che il primo rapporto ha una quantità di FR minore del secondo (è più alto).

Questo perché le piante del sottobosco sono schermate da quelle più alte, che captano tutta la luce

nel rosso ma lasciano passare quella nel rosso lontano.

Questo significa che il fitocromo può servire come indicatore del grado di ombreggiamento di

una pianta nei confronti dell’altra.

Alcune piante con un rapporto R/FR molto basso (e quindi anche con un basso rapporto Pfr/P ),

totale

cercano di fuggire alla condizione d’ombra sviluppando il fusto (risposta di fuga all’ombra – pag.

591). Queste piante che cercano la luce sono dette eliofile, ed impiegano più energie per crescere in

altezza che per aumentare l’area fogliare.

Quelle del sottobosco invece sono sciafile e non rispondono a variazioni del rapporto R/FR.

La qualità della luce determina anche la germinazione di alcuni semi (fotoplastici), tipicamente

piccoli e quindi con scarse riserve nutritive. Per questo dipendono dalla luce: devono uscire in fretta

dal terreno per fabbricarsi il cibo, ma se la luce non è della qualità giusta, non germogliano.

Un valore di FR troppo elevato inibisce la germinazione, perché indica un eccessivo livello di

ombreggiamento.

I L FITOCROMO CONTROLLA ALCUNI RITMI GIORNALIERI

Molti dei processi metabolici delle piante seguono un ciclo basato sulle 24h, in cui passano da una

fase di alta ad una di bassa attività: questi cambiamenti sono definiti ritmi circadiani (se ne parlerà

più approfonditamente nel capitolo Il controllo della fioritura).

La luce è uno dei maggior fattori che influenza questi ritmi, e le lunghezze d’onda del rosso e del

blu sono le maggiori responsabili.

Uno di questi ritmi è la nictinastia, il movimento delle foglie durante la notte: di giorno sono

distese per assorbire la luce, mentre di notte sono ripiegate, in funzione di variazioni nel turgore del

pulvino (organo alla base del picciolo). Questi movimenti sono tipici delle leguminose.

Il ritmo può essere modificato dalla luce rossa (stimola il ripiegamento delle foglie) o blu (stimola

la distensione). Si pensa che il fitocromo, convertito nella forma Pfr, regoli l’apertura e la chiusura

+ -

di pompe protoniche per il K ed il Cl , che modificano il turgore del pulvino.

RISPOSTE ALLA LUCE BLU

In questo capitolo vengono descritte le risposte alla luce blu: fototropismo, movimenti stomatici,

inibizione dell’allungamento del fusto.

Abbiamo detto che esistono due tipi di risposte ai segnali luminosi: le risposte del fitocromo e le

risposte alla luce blu.

Come per il fitocromo, le risposte sono moltissime: fototropismo, stimolazione della sintesi di

clorofille e carotenoidi, inibizione dell’allungamento dell’ipocotile, attivazione dell’espressione

genica, movimenti stomatici, fototassi, aumento della respirazione, …

Studiare le risposte alla luce blu è stato molto più difficile che studiare quelle alla luce rossa.

L’unico pigmento che risponde alla luce rossa, infatti, è il fitocromo, per cui soltanto osservando

quello è possibile conoscere tutto sulla luce rossa. Invece, la luce blu stimola molti pigmenti e

risulta difficile distinguere quelli che rispondono alla luce blu da quelli che rispondono ad altre

lunghezze d’onda.

Le risposte alla luce blu, comunque, possono essere distinte dalle altre sia perché non sono

fotoreversibili, sia perché hanno uno spettro d’azione molto caratteristico, dalla tipica struttura a

tre dita (pag. 614), in cui i picchi sono compresi fra i 400 ed i 500 nm.

Sembra che anche per la luce blu esista un fotorecettore che cambia la sua morfologia, la mantiene

per un certo periodo, e poi torna alla forma inattiva.

F ITOFISIOLOGIA DELLE RISPOSTE ALLA LUCE BLU

C RESCITA ASIMMETRICA E RIPIEGAMENTO

Il ripiegamento verso la luce viene definito risposta fotomorfogenica.

I principali studi relativi a questa risposta alla luce sono stati effettuati su piantine cresciute al buio

(pag. 615). Il ripiegamento avviene sempre in un’unica direzione, a seconda della posizione e

dell’intensità della fonte di luce. Ovviamente, soltanto un organo in crescita può piegarsi.

Nelle Graminacee, prima che il germoglio spunti è protetto da un coleottile, che lo ombreggia.

Quando spunta dal terreno, il germoglio buca il coleottile, il quale a questo punto smette di crescere.

È stato osservato che, in pianticelle eziolate, il coleottile cresce per parecchi centimetri, perché il

germoglio non spunta e non lo buca. Se viene irradiato con luce blu, cresce in sua direzione.

(effetto lente: non ho capito)

I ’

NIBIZIONE DELL ALLUNGAMENTO DEL FUSTO

La conversione del fitocromo da Pr (assorbe nel rosso) a Pfr (rosso lontano) causa una diminuzione

fitocromo-dipendente della velocità di allungamento delle plantule che emergono dal terreno.

Tuttavia, lo spettro d’azione relativo all’inibizione dell’allungamento mostra dei picchi nella zona

400/500, quindi dovuti alle risposte alla luce blu e completamente indipendenti dalla conversione

del fitocromo.

Inoltre, l’inibizione dovuta alla conversione del fitocromo impiega parecchi minuti per manifestarsi,

mentre quella dovuta alla luce blu soltanto pochi secondi.

In particolare, la luce blu provoca una depolarizzazione della membrana delle cellule

dell’ipocotile, causata dall’apertura di canali per gli ioni. Questa depolarizzazione inibisce

immediatamente l’allungamento.

L’ : ’ATP

APERTURA DEGLI STOMI LA LUCE BLU ATTIVA L ASI

La risposta alla luce blu sugli stomi è reversibile e localizzata unicamente sulle cellule di guardia.

Queste risposte sono state studiate molto a fondo, quindi si conosce tutta la cascata di eventi ad esse

relativa. Ovviamente, anche in questo caso lo spettro d’azione relativo alla risposta stomatica

mostra il profilo a tre dita tipico delle risposte alla luce blu.

La risposta degli stomi alla luce blu risponde alla legge della reciprocità, cioè risponde alla dose

totale di luce, indipendentemente che sia più distribuita nel tempo e poco intensa, oppure più

intensa e di minore durata. Comunque la risposta avviene troppo rapidamente per essere spiegata

solo in termini di risposta alla luce blu: sembra infatti che il segnale venga amplificato, molto

probabilmente per un’interazione fra recettori della luce blu e fitocromo.

In foglie di fava cresciute in serra, gli stomi si aprono non appena aumentano i flussi fotonici

incidenti e si chiudono quando diminuiscono. È importante ricordare che l’apertura degli stomi

aumenta la concentrazione cellulare di CO e, poiché gli stomi sono molto più sensibili a questo

2

fattore che non allo stimolo della luce blu, è stato molto difficile separare le risposte alla luce blu da

quelle all’anidride carbonica. L’unico modo è stato di spellare la foglia (si eliminano gli stomi e

tutta la superficie assorbe nello stesso modo), mantenendo una concentrazione costante di CO , ed

2

osservare le risposte.

Gli studi hanno dimostrato che l’apertura degli stomi in risposta alla luce è mediata da due

fotorecettori distinti, uno fotosintetico e l’altro relativo alla luce blu.

Se si inserisce nelle cellule di guardia un inibitore della catena di trasporto degli elettroni (quindi un

meccanismo fotosintetico), viene inibita parzialmente anche l’apertura degli stomi: quindi la

fotosintesi nelle cellule di guardia è connessa con l’apertura degli stomi.

Il fatto che l’apertura fosse inibita solo parzialmente, ha suggerito l’esistenza di un fotorecettore

non fotosintetico. La risposta fotosintetica della pianta è stata saturata con luce rossa, in modo che

gli stomi si aprissero quanto più potevano (considerando però che non erano irradiati con luce blu).

Quindi la pianta è stata irradiata con luce blu, che ha provocato la completa apertura degli stomi. +

La luce blu stimola l’apertura degli stomi perché causa l’attivazione della pompa protonica H -

ATPasi: di conseguenza, il pH del mezzo esterno diminuisce per l’uscita di protoni dalle cellule di

guardia.

Il funzionamento dell’ATPasi può essere studiato da esperimenti di patch clamping, mentre una

cellula di guardia viene trattata con la tossina fusicoccina, che attiva la pompa. Si misura in questo

caso una corrente elettrica relativa all’uscita di protoni dalla cellula.

La stessa corrente elettrica viene misurata quando la membrana è stimolata con la luce blu, il che

prova che queste lunghezze d’onda causano l’apertura della pompa.

Ψ

Contemporaneamente all’attivazione della pompa (diminuisce ), si determina un accumulo di

S

ioni ed acqua nelle cellule di guardia, che si gonfiano ed aprono la rima per turgore.

Gli ioni coinvolti sono il catione potassio ed gli anioni cloro e malato (il malato serve solo perché

durante la sua biosintesi vengono accumulati potassio e cloro). Potassio e cloro entrano nelle cellule

di guardia durante l’apertura degli stomi, mentre il malato è direttamente sintetizzato al loro interno.

Il movimento degli ioni è stimolato dal funzionamento della pompa: l’uscita dei cationi depolarizza

+

talmente tanto la membrana, che l’ingresso di K avviene spontaneamente, mentre il calcio è

- +

trasportato attraverso un simporto Cl -H .

L’apertura delle cellule di guardia è dovuta anche all’idrolisi dell’amido che, trasformato in

zuccheri solubili, contribuisce alla diminuzione il potenziale osmotico delle cellule di guardia.

Viceversa, la riconversione degli zuccheri in amido avviene contemporaneamente alla chiusura

degli stomi.

A tal proposito, è stato osservato che l’aumento della concentrazione di potassio nella cellula si

verifica soprattutto al mattino, mentre nel tardo pomeriggio, in corrispondenza di una maggiore

apertura degli stomi, diminuisce. Durante la mattina aumenta anche la concentrazione di saccarosio

per cui, quando quella di potassio diminuisce, diventa il saccarosio il soluto osmoticamente

dominante delle cellule di guardia. Non appena la concentrazione di saccarosio è aumentata

abbastanza rispetto a quella di potassio, gli stomi cominciano a chiudersi: in pratica, l’accumulo di

potassio implica l’apertura degli stomi, mentre quello di saccarosio la chiusura.

I FOTORECETTORI

L A ZEAXANTINA

I primi studi volti ad identificare i possibili fotorecettori della luce blu, si basavano sullo studio dei

coleottili. Poiché erano molto gialli, ed anche per la forte somiglianza dello spettro di azione del

β-carotene

fototropismo e di assorbimento dei carotenoidi, si pensò che il potesse essere uno dei

recettori.

Recentemente si sospetta che anche il carotenoide zeaxantina abbia un ruolo nell’assorbimento

della luce blu. Infatti, lo spettro di assorbimento del pigmento corrisponde esattamente allo spettro

d’azione dell’apertura degli stomi.

Abbiamo già incontrato la zeaxantina nel ciclo delle xantofille dei cloroplasti, che serviva per

dissipare l’eccesso di energia. Zeaxantine sono state trovate anche nei cloroplasti delle cellule di

guardia, soprattutto quando la luce è più forte ed è necessaria la fotoprotezione. La diretta

proporzionalità fra la zeaxantina e il flusso di luce incidente è la tipica risposta che ci si aspetta da

un recettore della luce blu.

Un'altra prova a favore della zeaxantina è che se il DTT, un inibitore della produzione di

zeaxantina, è particolarmente abbondante, gli stomi restano chiusi anche se sono stimolati dalla luce

blu. Al contrario, l’apertura stimolata dalla luce rossa non è influenzata dalla presenza di DTT.

La trasduzione del segnale, a partire dallo stimolo della luce blu, segue questa via:

La luce blu provoca un cambiamento conformazionale della zeaxantina.

 La zeaxantina modificata stimola un secondo messaggero, probabilmente il calcio, ad

 entrare nel cloroplasto. +

La diminuzione del calcio citosolico attiva l’H -ATPasi delle cellule di guardia.

B IOSINTESI DELLA ZEAXANTINA

La zeaxantina può essere sintetizzata in due vie, che iniziano nei cloroplasti delle cellule di guardia:

β-carotene,

A partire dal mevalonato, attraverso vari passaggi, viene sintetizzato il

 convertito poi in zeaxantina.

La zeaxantina può essere convertita in violaxantina, che entra nel ciclo delle xantofille e

 viene convertita in anteraxantina e poi di nuovo in zeaxantina.

La zeaxantina è localizzata nei complessi di raccolta della luce dei PSI e PSII. La quantità di

zeaxantina dipende da quella di carotenoidi, che aumentano la loro concentrazione con

l’inverdimento.

Inoltre, la concentrazione di zeaxantina dipende anche dalla parte della foglia considerata, visto che

è più abbondante nei punti sottoposti a maggiore intensità luminosa, e dalla regolazione del ciclo

delle xantofille.

L’enzima che converte la violaxantina in zeaxantina è una proteina di membrana e risponde alle

variazioni di pH. Durante la catena di trasporto degli elettroni, il gradiente protonico viene scaricato

per produrre ATP. Se il tasso di utilizzo dell’ATP si abbassa, il gradiente si accumula ed il lume si

acidifica, attivando l’enzima per la produzione di zeaxantina. Viceversa, la zeaxantina è convertita

in violaxantina se il consumo di ATP è elevato.

Tutti questi metodi di regolazione della concentrazione della zeaxantina rendono il sistema molto

flessibile.

L E FLAVINE

I coleottili sono anche molto ricchi di flavine, che possono essere ridotte dalla luce blu e, in questo

stato, ridurre il citocromo c. Si pensa quindi che esista una cascata di risposte, per cui una flavina

legata alla membrana viene eccitata dalla luce blu, riduce il citocromo e fa partire una serie di

reazioni redox in una catena di trasporto degli elettroni che media le risposte alla luce blu.

LE AUXINE

Si definisce ormone una sostanza organica che, sintetizzata in un tessuto specializzato, esercita a

distanza effetti fisiologici a bassa concentrazione.

Nelle piante, comunque, sembra che non esistano tessuti specializzati nella produzione di ormoni,

né particolari tessuti bersaglio, per cui sono poche le volte in cui si ottiene una risposta univoca e

precisa. Quindi, visto che i recettori non sono moltissimi, gli ormoni delle piante saranno prodotti

ad una concentrazione più elevata rispetto a quella negli animali e potranno legarsi a più tipi di

recettori.

La mancanza di siti di produzione e di tessuti bersaglio specifici rende difficile lo studio degli

ormoni delle piante. Comunque ne sono stati identificati cinque (auxine, gibberelline, citochinine,

etilene ed acido abscissico), ed ognuno è associato ad un recettore molecolare specifico.

L ’

A SCOPERTA DELL AUXINA

L’auxina (o acido indol-acetico) è stato il primo ormone ad essere scoperto e, assieme alla

citochinina, è assolutamente indispensabile per la vitalità della pianta.

Furono Charles Darwin e suo figlio i primi a studiare i tropismi delle piante, sia relativamente

all’auxina che, ad esempio, relativamente alla luce blu. Si occuparono soprattutto del ripiegamento

delle piante verso la luce (fototropismo – pag. 645).

Anche in questo caso usarono una Graminacea appena spuntata, un’avena, ancora coperta dal

coleottile. I Darwin scoprirono che, se veniva coperto l’apice, la pianticella non si piegava in

direzione della fonte. Conclusero che l’apice produceva un segnale che veniva indirizzato qualche

millimetro più sotto, alla zona di crescita del mesocotile (il mesocotile cresce ed il coleottile capta

la luce), e faceva in modo che questa, se era esposta all’ombra, crescesse più velocemente. Il

αυξειν,

“segnale” prese il nome di auxina, dal greco crescere, perché promuove la crescita del

mesocotile.

Altri studiosi proseguirono i loro esperimenti sull’apice e l’auxina:

Se l’apice veniva rimosso e poi posto di nuovo sopra la piantina, ma separato da uno strato

 di gelatina, la curvatura avveniva ugualmente. Se al posto della gelatina si stendeva un

composto impermeabile all’acqua (come la mica), non c’era curvatura (l’auxina non poteva

passare alla zona di crescita).

La prova che lo stimolo fornito dall’apice era di natura chimica e non luminosa, venne da un

 esperimento in cui l’apice veniva rimosso e poi ripoggiato sulla piantina un po’

lateralmente: si osservava una curvatura dal lato opposto a quello su cui era stato poggiato

l’apice. Questo voleva dire che, nel lato in cui si diffondeva l’auxina, aumentava la

distensione cellulare, mentre il lato che ne era privo non si allungava.

In un esperimento successivo, venne provato che l’auxina induceva una curvatura

 proporzionale alla sua concentrazione. Vari apici vennero rimossi e posti su un foglio di

gelatina diviso in blocchi. Poggiando un blocco su una pianta priva dell’apice, si otteneva un

certo grado di curvatura, mentre se si mettevano due blocchi la curvatura era maggiore.

B , ’

IOSINTESI TRASPORTO E METABOLISMO DELL AUXINA

Chimicamente, l’auxina corrisponde all’IAA o acido indol-3-acetico (formula pag. 646). In realtà,

questo è il tipo di auxina più abbondante, ma questo ormone esiste in altre forme: si definisce

auxina ogni sostanza chimica che abbia uno spettro di attività biologiche simili, ma non identiche,

all’IAA.

Molto probabilmente, il meccanismo d’azione comune a tutte queste auxine si basa sulla presenza

di una carica negativa presso il gruppo acetico, più la carica parzialmente negativa dell’anello.

S ’ ’

AGGI PER L IDENTIFICAZIONE DELL AUXINA

Per determinare quantità e/o tipo di auxina presenti, si possono usare tre tipi di saggi:

Saggio biologico: misura, su un materiale vivo, l’effetto di una sostanza che abbia attività

 biologica nota. Un esempio di saggio biologico è quello del cubetto di gelatina impregnato

di auxina che viene posto sull’apice del fusto: misurando l’angolo di curvatura, è possibile

calcolare la quantità di auxina.

Saggio immunologico: necessita di anticorpi specifici che legano IAA (legato a sua volta ad

 una macromolecola, altrimenti è troppo piccolo per stimolare la produzione di anticorpi).

L’anticorpo si lega all’antigene (IAA + molecola), quindi una seconda serie di anticorpi

marcati radioattivamente (oppure un enzima) si lega al complesso. La quantità di questo

secondo anticorpo è proporzionale a quella di IAA.

Questo sistema è molto più efficace negli animali che non nelle piante, per le scarse

dimensioni dell’auxina.

Saggio chimico-fisico: sono molto efficaci, ma lunghi e costosi. Inoltre c’è sempre bisogno

 di composti standard di confronto di non facile reperibilità. Si basano quasi sempre sulla

cromatografia.

B ’

IOSINTESI DELL AUXINA

L’auxina viene prodotta principalmente nei tessuti in via di sviluppo (germoglio, giovani foglie,

frutti, …).

La sintesi di IAA può essere dipendente o indipendente dal triptofano (è importante che la sua

biosintesi non sia strettamente dipendente dal triptofano, in modo che non sia possibile esaurirla –

pag. 650). Le principali vie biosintetiche dipendenti dal triptofano sono:

Via dell’acido indol-3-piruvico (IPA): passa attraverso una deamminazione ed una

 decarbossilazione.

Via della triptammina (TAM): al contrario della via precedente, una decarbossilazione è

 seguita da una deamminazione.

Per quanto riguarda la via biosintetica indipendente dal triptofano, in pratica si tratta di una

ramificazione della via di biosintesi del triptofano prima che questo venga prodotto.

T ’

RASPORTO DELL AUXINA

Poiché l’auxina è trasportata in maniera unidirezionale, si dice che abbia un trasporto polare. È

l’unico ormone delle piante che viene trasportato polarmente, generando un gradiente fra il

germoglio e le radici, che contribuisce a regolare i processi di crescita.

L’auxina prodotta dalle foglie mature, però, viene trasportata dal floema e quindi non segue una via

polare. Comunque si tratta di una percentuale di IAA molto piccola.

Per studiare il sistema del trasporto polare, i ricercatori hanno usato il metodo del blocco di agar

donatore/ricevitore (pag. 652). Una piantina viene sezionata ed il suo ipocotile esportato. Un

blocco di agar che contiene auxina marcata (donatore) è poggiato sull’estremità superiore

dell’ipocotile messo in verticale, mentre su quella inferiore è appoggiato un blocco ricevitore.

Misurando il passaggio di radioattività, si può determinare il movimento dell’auxina. Se l’ipocotile

viene rovesciato ma i blocchi di agar restano nelle posizioni precedenti (donatore in alto e ricevente

in basso), non si verifica nessun trasporto, ad indicare che il trasporto è polare e non dipendente

dalla gravità.

L’auxina attraversa una membrana plasmatica, diffonde fra le pareti primarie e poi attraversa l’altra

membrana, in un meccanismo di trasporto attivo, più veloce della diffusione ma più lento del

trasporto nel floema. Poiché è attivo, il trasporto dell’auxina può essere bloccato da inibitori, che

agiscono bloccando l’efflusso di auxina dalla cellula più che l’influsso.

Più precisamente, il trasporto dell’auxina è stato spiegato con il modello chemiosmotico per il

trasporto polare dell’auxina, per cui l’assorbimento dell’auxina è dovuto sia alla forza motrice dei

protoni che al potenziale di membrana, mentre l’efflusso solo al potenziale di membrana (pag. 655).

Una della caratteristiche principali del modello è che i carriers di efflusso si trovano localizzati alla

base delle cellule conduttrici.

L’IAAH può entrare nella cellula sia attraversando passivamente la membrana plasmatica, sia

-

attraverso un simporto con i protoni (quindi sotto forma di IAA ). Quindi, l’auxina passa da un

ambiente extracellulare (interno alla parete ma esterno alla membrana) a pH 5 ad uno intracellulare

a pH 7. Nel frattempo, delle pompe protoniche pompano protoni fuori dalla cellula.

-

A pH 7, IAAH passa nella forma IAA , che può uscire attraverso dei carriers per l’efflusso

dell’auxina, che sfruttano il potenziale negativo interno della membrana.

C ’

AMBIAMENTI DI STATO DELL AUXINA

La maggior parte dell’IAA che viaggia nella pianta è legata covalentemente ad altre molecole,

assumendo uno stato inattivo. La quantità di IAA coniugata e la molecola scelta dipendono

dall’enzima coniugante.

In genere, comunque, troviamo l’auxina in forma libera presso i meristemi e nelle foglie giovani,

siti primari di sintesi dell’auxina.

La reazione di coniugazione è, ovviamente, reversibile, e serve per immagazzinare l’auxina o per

proteggerla dall’ossidazione.

La degradazione dell’IAA, invece, è irreversibile e può coinvolgere più di una via, come la

biosintesi: una passa attraverso la decarbossilazione ossidativa dell’acido indol-3-acetico, l’altra

invece procede senza decarbossilazione, ma con ossidazione.

M ’

ETABOLISMO DELL AUXINA

Il metabolismo dell’auxina, in finale, è regolato dal suo trasporto, dalla biosintesi, dalla

degradazione e dalla coniugazione (pag. 660).

La biosintesi (triptofano dipendente o indipendente) porta ad un aumento della concentrazione di

auxina libera, mentre la degradazione la diminuisce.

Coniugazione e trasporto sono due processi reversibili, quindi possono sia aumentare che diminuire

la concentrazione di auxina libera.

E ’ :

FFETTI FISIOLOGICI DELL AUXINA DISTENSIONE CELLULARE

L’auxina promuove la distensione cellulare. Il suo effetto però è positivo solo a concentrazioni

ottimali, mentre se la sua concentrazione aumenta o diminuisce oltre un valore soglia,

l’accrescimento viene inibito (probabilmente l’inibizione da troppa concentrazione è dovuta alla

sintesi dell’etilene, un inibitore della crescita).

Questo effetto inibitore, anche se si blocca la sintesi dell’etilene, è fortemente amplificato nelle

radici, in cui l’auxina agisce a concentrazioni davvero basse.

L’aumento della concentrazione di auxina, comunque, non ottiene una risposta prima di 15 minuti

(tempo di lag), perché i recettori dell’auxina non vengono sintetizzati prima che questa venga

diffusa nella cellula. Dopo 15 minuti, la velocità di crescita aumenta da 5 a 10 volte.

A ’

ZIONE DELL AUXINA SULLA PARETE

Degli esperimenti hanno dimostrato che il primo bersaglio dell’auxina sono i tessuti più esterni

della pianta, come l’epidermide. Poiché però il trasporto polare avviene nelle cellule

parenchimatiche dei fasci conduttori, quindi in zone interne della pianta, sembra che da queste

l’auxina si sposti verso l’esterno.

In generale, l’aumento di dimensioni di una cellula è dovuto sia all’assorbimento osmotico

dell’acqua attraverso la membrana plasmatica a causa di un gradiente di potenziale idrico (∆Ψ), sia

alla pressione di turgore interna. L’accrescimento quindi segue questa formula:

− ρ)

Q = K (∆Ψ) = K (∆π

∆π ρ

in cui K è la conducibilità idraulica della membrana, è la differenza di pressione osmotica e è

la pressione di turgore.

Degli esperimenti con inibitori suggeriscono che l’auxina agisca indebolendo la parete cellulare e

riorganizzando i suoi legami, in un processo che richiede energia. L’auxina può indebolire la

+

parete perché aumenta l’attività della pompa H -ATPasica che promuove l’efflusso dei protoni dalla

cellula verso l’apoplasto, con conseguente attivazione di enzimi (espansine) che rompono alcuni

legami della parete (ipotesi dell’accrescimento rapido). Ad esempio, l’abbassamento del pH

dell’apoplasto rompe i ponti salini fra le pectine.

Questa ipotesi, per cui l’accrescimento è mediato dalla diminuzione del pH dell’apoplasto, è stato

provato sia grazie all’uso di tamponi neutri che impedivano l’acidificazione, sia usando composti

diversi dall’auxina che però, semplicemente perché provocavano un’acidificazione dell’apoplasto,

funzionavano lo stesso da attivatori della crescita.

Oltre ad aumentare l’attività delle pompe preesistenti, l’auxina può stimolare la sintesi di nuove

pompe protoniche.

L’auxina non stimola la crescita soltanto attraverso l’acidificazione dell’apoplasto: questo, infatti, è

un fenomeno poco duraturo, mentre l’accrescimento continua abbastanza a lungo.

Non sono ancora ben noti gli altri meccanismi di azione dell’auxina: probabilmente stimola sia

l’assorbimento di soluti necessari per mantenere un certo potenziale di membrana, sia gli enzimi per

la biosintesi della parete. Rifornire continuamente la parete di nuovi polimeri, oltre che aumentarne

le dimensioni, la mantiene debole.

E . ’ :

FFETTI FISIOLOG DELL AUXINA FOTOTROPISMO E GRAVITROPISMO

Per fototropismo si intende la crescita verso la luce, tipica di tutte le foglie e fusti; il

gravitropismo invece è la crescita in risposta alla gravità, che permette alle radici di crescere verso

il basso ed ai fusti di crescere verso l’alto.

I L FOTOTROPISMO

Gli apici, in relazione al fototropismo, hanno tre funzioni specializzate: produzione di IAA libera,

percezione di uno stimolo luminoso unilaterale e trasporto laterale di IAA in seguito a stimolo

luminoso direzionale.

Grazie a queste caratteristiche degli apici, l’auxina è trasportata verso le zone in ombra, in modo

che possano accrescersi come quelle esposte alla luce.

Sembra che stimolazioni da parte della luce blu inducano la fosforilazione di una proteina, secondo

un gradiente laterale. Questo gradiente dovrebbe indurre lo spostamento dell’auxina verso la parte

in ombra del coleottile: il maggiore allungamento della parte in ombra rispetto a quella esposta alla

luce provoca un accrescimento differenziato che origina la curvatura verso la luce.

Went (uno dei maggiori studiosi delle caratteristiche dell’auxina) provò questa teoria usando il

sistema dei blocchi di agar su cui viene appoggiato un apice di germoglio (pag. 670). Se l’apice

viene poggiato su un blocco, sia in presenza di luce che al buio l’angolo di curvatura indotto è

sempre lo stesso, ad indicare che la luce non degrada l’auxina come avevano proposto certi studiosi.

A questo punto, Went divise in due l’agar e l’apice, mantenendoli separati con un foglio di mica, e

fornì una sorgente di luce laterale: se il foglio divide completamente l’apice, l’auxina resta di

concentrazione uguale da entrambe le parti, mentre se il foglio divide il blocco ma non l’apice, si

trovano due valori di concentrazione differenti dalle due parti del blocco: questo significa che non

avviene una sintesi di auxina nella zona in ombra, ma che l’auxina si muove verso la zona in ombra.

I L GRAVITROPISMO

Se si stendono in orizzontale delle pianticelle cresciute al buio, si osserva un ripiegamento verso

l’alto del coleottile: l’auxina diffonde più rapidamente nella zona sottostante (quella che in questa

posizione è a contatto col terreno) che non in quella sovrastante.

Anche i tessuti al di sotto dell’apice sono in grado di ridistribuire l’auxina e percepire la gravità,

anche se l’apice è necessario per la produzione dell’auxina.

La gravità non si distribuisce con un gradiente, ma tutte le parti della pianta sono soggette alla

stessa spinta. Come può, quindi, la pianta percepire la gravità?

Alcune cellule (statociti) possiedono degli amiloplasti specializzati (statoliti) che, grazie alla

densità molto maggiore rispetto a quella del citosol, possono sedimentare sul fondo e fungere da

indicatori della direzione della gravità (pag. 675). Le statociti formano uno strato amilaceo sulla

superficie dei tessuti vascolari del germoglio e sulla zona centrale della cuffia della radice.

La gravità può anche essere percepita in assenza di statoliti. Studi effettuati sull’alga Chara hanno

dimostrato che il protoplasto stesso può fungere da statolita.

La radice deve contemporaneamente percepire la gravità e permettere l’allungamento. L’auxina

media entrambe queste funzioni (pag. 677): al centro della cuffia si trovano le statociti. Se la radice

è disposta verticalmente, le statoliti saranno tutte ammassate verso la base della cellula, in

corrispondenza della punta della cuffia: questa distribuzione stimola una diffusione uniforme

dell’IAA attraverso il cortex (l’IAA proviene dai germogli e arriva alla radice attraverso la stele).

Se invece la radice è orizzontale, gli statoliti non sedimentano in corrispondenza della punta della

cuffia, ma lateralmente. Questo cambiamento provoca una distribuzione polare dell’auxina: una

concentrazione maggiore viene distribuita nella zona inferiore, causando un’inibizione

dell’allungamento, mentre concentrazioni minori sono distribuite nella zona sovrastante e

promuovono l’accrescimento. In questo modo, la radice si curva verso il basso.

A ’

LTRI EFFETTI FISIOLOGICI DELL AUXINA

L’auxina, comunque, non ha solo effetti sulla crescita, ma praticamente su tutto ciò che riguarda il

ciclo cellulare.

Regola la dominanza apicale: per dominanza apicale si intende quel fenomeno per cui la

 gemma apicale inibisce la crescita delle gemme ascellari. Se si sostituisce la gemma apicale

con un blocco di auxina, ugualmente viene inibita la crescita. Molto probabilmente,

comunque, l’auxina non agisce direttamente, ma attraverso la mediazione di ABA (acido

abscissico) e citochinine.

Promuove la formazione di radici laterali e avventizie: le radici laterali hanno origine dal

 periciclo, un tessuto interno della radice, mentre quelle avventizie originano da un

meristema apposito che può trovarsi su un qualsiasi tessuto. L’auxina riesce a stimolare in

entrambi i casi la formazione di radici. La stimolazione nei confronti delle radici avventizie

è stata molto utile per la propagazione vegetativa tramite talea: l’auxina, per trasporto

polare, tende ad accumularsi presso il sito di taglio e lì fa formare le radici avventizie.

Ritarda l’abscissione fogliare: ossia la caduta delle foglie. Le foglie cadono per la

 degradazione della parete delle cellule della zona di abscissione. Nelle foglie più vecchie, la

concentrazione di IAA è molto bassa, mentre quella di etilene è più alta.

Regola lo sviluppo della gemma fiorale: un giusto apporto di IAA inibisce la crescita

 abnorme della gemma fiorale.

Promuove lo sviluppo dei frutti: dopo la fecondazione, l’accrescimento del frutto dipende

 anche dalla concentrazione di auxina nei semi.

Induce il differenziamento vascolare: i nuovi tessuti vascolari si formano direttamente

 sotto le gemme in via di sviluppo e le foglie in crescita, ed il loro accrescimento è polare

(quindi l’auxina ne è responsabile).

Applicazioni commerciali: le auxine sono usate commercialmente per le talee, per

 prevenire la caduta di frutti e foglie, contro le erbe infestanti.

M ’

ECCANISMO D AZIONE MOLECOLARE

L’ ’

AUXINA AUMENTA L ATTIVITÀ DI TRADUZIONE

All’inizio degli anni ’70, si riteneva che l’auxina fosse in grado di alterare l’espressione genica. Il

fatto però che l’accrescimento avvenisse con un tempo di lag di soli 15 minuti faceva cadere

l’ipotesi, perché la sintesi proteica avviene molto più lentamente. Quindi, l’auxina doveva

interferire direttamente con dei componenti di membrana, più che alterare l’espressione genica.

Effettivamente l’auxina si lega ad un recettore posto sul ER, chiamato ABP1. Questa proteina

media l’azione dell’auxina attivando delle pompe protoniche, che stimolano l’attivazione di alcuni

fattori di trascrizione.

La proprietà dell’auxina di stimolare la traduzione di alcuni mRNA, è stata scoperta durante un

esperimento (pag. 687):

Una piantina eziolata viene tagliata in segmenti, i quali vengono incubati in una soluzione

 priva di auxina (per eliminare l’auxina endogena).

I segmenti vengono ripartiti in due contenitori, di cui uno contiene auxina e l’altro no, e

 lasciati in incubazione.

Dopo aver estratto gli acidi nucleici dai tessuti nelle provette, gli mRNA traducibili (che

 hanno la coda di poli(A) ) vengono isolati e tradotti all’interno di due provette differenti,

utilizzando una metionina marcata (sempre il primo amminoacido di una catena).

Le proteine tradotte da ogni provetta vengono separate attraverso elettroforesi su gel e rese

 visibili per autoradiografia. Quelle derivate dalla provetta che contiene l’auxina sono più

numerose (cioè molti mRNA sono stati tradotti più volte).

Quindi, l’auxina provoca un aumento dell’attività di traduzione.

La stimolazione non tocca però tutti gli mRNA. Per identificare quali mRNA possono essere

stimolati dall’auxina si usa il metodo dell’aggiunta e privazione (pag. 688):

Vengono preparati dei cloni di cDNA a partire da mRNA estratti da tessuti trattati con

 auxina. I cDNA vengono clonati in vettori fagici o plasmidici.

Il cDNA viene piastrato su agar e vengono costruiti due stampi di nitrocellulosa dell’agar.

 Con la tecnica del Southern blot, il cDNA viene denaturato e fissato sul filtro.

Separatamente, vengono preparate altre due banche di cDNA: una ottenuta da un tessuto di

 controllo non trattato con auxina, l’altra da un tessuto trattato. In entrambi i casi, viene usato

P radioattivo.

Ognuno dei due stampi viene ibridato con una delle due banche. Dopo lavaggio, gli stampi

 vengono esposti ad una pellicola sensibile ai raggi X. Confrontando le macchie che si

sviluppano sulla pellicola, si può determinare quali mRNA sono sensibili all’auxina e quali

no.

I ’

GENI INDOTTI DALL AUXINA

Quando l’auxina si lega al suo recettore, attiva un gruppo specifico di fattori di trascrizione che

promuovono l’espressione di alcuni geni. I fattori di trascrizione stimolati dall’auxina erano già

presenti nella cellula, ma inattivi, prima dell’esposizione all’ormone. I geni la cui espressione è

stimolata da fattori di trascrizione preesistenti sono detti geni precoci.

Per questo la risposta è così rapida.

Questi geni hanno tre funzioni principali:

Codificano per i fattori di trascrizione necessari per l’espressione dei geni tardivi.

 Regolano la comunicazione intercellulare.

 Partecipano all’adattamento allo stress.

Tra le famiglie di geni precoci stimolate dall’auxina, le due più importanti sono la famiglia

Aux/IAA e la SAUR. La famiglia Aux/IAA codifica per proteine dirette al nucleo che molto

probabilmente interferiscono con gli acidi nucleici, agendo da attivatori o repressori; la famiglia

SAUR codifica per dei piccoli polipeptidi a funzione ignota. Entrambe le famiglie rispondono agli

stimoli ambientali, compresa la presenza di metalli pesanti e le condizioni di stress, quindi si ritiene

siano i principali responsabili della crescita e della risposta agli stress mediati dall’auxina.

Altre due famiglie stimolate dall’auxina sono la famiglia dei geni GST-simili (glutadione S-

transferasi) e quella dei geni per l’ACC-sintasi, fattore limitante per la biosintesi dell’etilene in

condizioni di stress (l’etilene agisce sulle comunicazioni intercellulari).

GIBBERELLINE

In questo capitolo viene descritta la scoperta, la struttura, la biosintesi e la funzione delle

gibberelline.

Le gibberelline vennero scoperte intorno agli anni ’50, 30 anni dopo quella delle auxine.

Mentre le auxine venivano raggruppate in base alla loro funzione biologica, le gibberelline sono

simili per struttura chimica.

L A SCOPERTA DELLE GIBBERELLINE

In realtà, i primi che scoprirono l’esistenza delle gibberelline furono degli asiatici, molto prima

degli anni ’50. I coltivatori asiatici, infatti, dovevano spesso combattere con una malattia delle

piante di riso (malattia della piantina sciocca o del riso pazzo) che le faceva crescere in maniera

incontrollata. Si pensò che un fungo infettasse le parti alte della pianta e secernesse un composto

chimico tossico che venne chiamato gibberellina, dal nome del fungo.

I ricercatori giapponesi isolarono i due composti fungini che agivano sulla crescita e li chiamarono

gibberellina A e gibberellina B, ma le barriere imposte dalla seconda guerra mondiale impedirono

che la scoperta si diffondesse in occidente.

Intorno agli anni ’50, un gruppo di scienziati occidentali purificò delle colture fungine ed isolò

l’acido gibberellico. Contemporaneamente, all’università di Tokyo venivano isolate la gibberellina

A , A ed A . Quest’ultima e l’acido gibberellico sono uguali.

1 2 3

Da queste scoperte si dedusse che le gibberelline formano una vasta famiglia e che ogni fungo ne

possiede una varietà differente.

L’acido gibberellico fu sperimentato su varie piante e si ottennero degli straordinari risultati sulle

piante nane e a rosetta (tipo il cavolo, che nella sua forma normale ha gli internodi cortissimi – pag.

704). Invece, piante già alte non mostravano segni di risposta.

La logica conseguenza fu quella di cercare l’acido gibberellico nelle piante e non più nei funghi.

Effettivamente, furono trovate delle sostanze simili alle gibberelline (cioè con la stessa funzione

biologica).

La prima identificazione definitiva di una gibberellina fu nei semi immaturi, in cui la

concentrazione di sostanza era piuttosto elevata rispetto a quella bassissima che si trova negli altri

tessuti della pianta. Comunque, per isolare una quantità studiabile di gibberelline furono usati chili e

chili di semi.

Tutte le gibberelline scoperte si basano su uno scheletro ent-gibberellanico (in cui ent sta per

enantiomero - pag. 702) ed hanno 19 o 20 atomi di carbonio.

B ,

IOSINTESI METABOLISMO E TRASPORTO DELLE GIBBERELLINE

B IOSINTESI

Tutte le gibberelline derivano dalla via biosintetica dei terpeni, polimeri dell’isoprene (pag. 706).

Chimicamente, le gibberelline (GA) sono dei diterpeni tetraciclici costituiti da quattro unità

isopreniche. Ogni unità è rappresentata dall’IPP (isopentenil pirofosfato).

La maggior parte di esse si trova nella pianta in forma inattiva.

La biosintesi avviene in tre stadi:

1. Reazione di ciclizzazione: forma lo scheletro ent-gibberellico ed è catalizzata da enzimi

tipo ciclasi. Avviene nei proplastidi del germoglio.

2. Ossidazione in aldeide: un gruppo metilico è ossidato a carbossilico, mentre in posizione

adiacente si forma l’aldeide (GA -aldeide). Avviene nel reticolo endoplasmatico ed è

12

catalizzata da enzimi tipo ossigenasi.

3. Formazione di tutte le altre gibberelline: a partire dalla GA -aldeide, vengono

12

sintetizzate tutte le altre gibberelline. Avviene nel citosol ad opera delle ossigenasi.

Durante la terza fase della biosintesi, viene sintetizzata la GA , la prima forma attiva di

1

gibberellina. È proprio questo composto a regolare la crescita in altezza. In effetti, se analizziamo i

tessuti di quattro tipi di piante di differente altezza, possiamo osservare che:

Una pianta cosiddetta ultranana non possiede gibberelline.

 Una nana possiede GA , diretto precursore di GA .

 20 1

Una pianta alta possiede un’alta percentuale di GA .

 1

Una ultraalta non possiede gibberelline ma ha un’elevata concentrazione di auxine.

La biosintesi delle GA è influenzata dal fotoperiodismo (se il giorno è breve, la concentrazione di

GA è bassa, e viceversa) e dalla temperatura (bassa temperatura alta concentrazione di GA).

T RASPORTO DELLE GIBBERELLINE

Le gibberelline vengono sintetizzate nelle gemme, negli internodi e nelle foglie in crescita.

Il fatto che la loro biosintesi avvenga in tre tappe, ognuna delle quali deve avvenire in un preciso

scomparto cellulare, dà un senso allo spostamento delle gibberelline dopo la sintesi.

Questi ormoni, viaggiando nel floema, sono costretti ad eseguire la fase 1 in tessuti non maturi

(perché la fase 1 necessita la presenza del proplastidio), mentre la fase 3 può anche avvenire in

cellule mature: quindi le GA inattive vengono traslocate in questa forma fino ai tessuti maturi, dove

vengono convertite nella forma attiva.

Sembra che molte GA siano coniugate a zuccheri, in particolare al glucosio. Sotto questa forma

glucosilata, viaggiano nel floema e vengono accumulate.

M ETABOLISMO DELLE GIBBERELLINE

La concentrazione di GA attiva è mantenuta attraverso le sue vie metaboliche: sintesi (da freddo,

1

da giorni lunghi), trasporto e coniugazione sono processi reversibili, quindi in equilibrio (la sintesi è

contrastata dall’inibizione retroattiva che la GA compie su sé stessa). Allo stesso modo, i

1

precursori di GA sono in equilibrio fra la sintesi ed il trasporto ai tessuti maturi.

1

L’unico processo irreversibile del metabolismo di questa gibberellina è la disattivazione.

E GA ’

FFETTI DELLE SULL ACCRESCIMENTO E SULLO SVILUPPO

Crescita del fusto: nelle piante a rosetta, le GA stimolano la crescita degli internodi. Alcune

 piante addirittura assumono una forma a rosetta durante i giorni brevi e allungata in quelli

lunghi. La crescita delle radici, invece, non è assolutamente influenzata da questa molecola.

Promuovono la germinazione dei semi: la presenza di GA interrompe la dormienza.

 β-amilasi)

Inoltre, stimola la produzione delle idrolasi (tra cui l’α e la necessarie per

rendere utilizzabili i composti di riserva nel seme. L’α-amilasi idrolizza l’amido producendo

β-amilasi.

oligosaccaridi, a loro volta idrolizzati dalla

I semi sono formati da due strati: l’embrione diploide e l’endosperma triploide. L’embrione

è costituito dal tessuto embrionale vero e proprio e da un organo di assorbimento, lo

scutello. L’endosperma è formato dall’endosperma amilaceo al centro, composto da cellule

morte piene di amido, e dallo strato di aleurone alla periferia, con pareti spesse e funzione

di accumulo delle proteine e sintesi di enzimi idrolitici (pag. 724).

Le gibberelline usate per la germinazione vengono sintetizzate nel coleottile e nello scutello,

quindi sono liberate nell’endosperma amilaceo. Da qui diffondono allo strato di aleurone,

che libera enzimi idrolitici nell’endosperma amilaceo. Le sostanze così liberate vengono

assorbite dallo scutello e trasportate all’embrione in accrescimento.

Regolano il passaggio alla fase adulta: per molte piante, il passaggio dallo stato giovanile

 a quello adulto è segnato dalla fioritura e da un cambiamento nella forma delle foglie. Le

gibberelline possono sia far maturare una pianta, sia farla regredire allo stato giovanile.

Influiscono sulla formazione dei fiori e sulla determinazione del sesso: la determinazione

 del sesso è regolata geneticamente, ma subisce anche l’effetto del fotoperiodismo, mediato

dalle GA. Per esempio, nel mais il pennacchio è un’infiorescenza maschile, ma l’aumentata

concentrazione di GA causa l’effemminazione di tutta l’infiorescenza. Più in generale,

sembra che le GA inibiscano lo sviluppo degli stami.

Promuovono la fruttificazione: le GA intervengono nella fruttificazione quando le auxine

 non hanno effetto.

Applicazioni commerciali: le GA vengono usate, in agricoltura, soprattutto per:

 Produrre frutti: stimolano l’allungamento del picciolo dell’uva, in modo che il

- grappolo possa formare chicchi più grandi grazie ad uno spazio maggiore a

disposizione; ritardano la caduta dei frutti.

Produzione di malto da orzo: la produzione di malto è uno dei passaggi per la

- fabbricazione della birra. I semi di orzo vengono incubati ad alta temperatura, in

modo che venga stimolata la sintesi di gibberelline e quindi la liberazione di enzimi

idrolitici dall’aleurone

Resa della canna da zucchero: la canna da zucchero è una delle poche piante che

- accumula saccarosio al posto di amido. Il saccarosio viene accumulato negli

internodi, per cui spruzzare la pianta con gibberelline significa avere internodi più

grandi e quindi più spazio per accumulare saccarosio.

M ’

ECCANISMO D AZIONE DELLE GIBBERELLINE

Le gibberelline agiscono inattivando un repressore (GAI) della crescita (GAI impedisce la

produzione degli enzimi idrolitici). In pratica, in assenza di gibberelline le piante si trovano

perennemente in uno stato di crescita repressa. Le GA dereprimono questo stato.

Per provare questa teoria, sono stati isolati diversi mutanti (pag. 722): il ceppo selvatico produce il

repressore GAI, su cui si lega una proteina attivata dalla presenza di GA , per cui la pianta cresce

1

normalmente.

Mutanti che mancano di GA hanno crescita repressa (sono piante nane), ma il loro stato è

reversibile per aggiunta di GA. Invece, mutanti che possiedono le gibberelline, ma il cui repressore

ha mutato il sito per il loro legame, ugualmente crescono come piante nane e la repressione della

crescita non può essere risolta.

L GA

E PROVOCANO LA SINTESI DI ALCUNI FATTORI DI TRASCRIZIONE

Il recettore delle gibberelline si trova probabilmente nello strato di aleurone. Il legame di GA

stimola il recettore ad interagire con una proteina G eterotrimera che lega GTP (pag. 732). A

partire da questa, il segnale viene trasmesso nella cellula in due vie differenti: una è indipendente

2+ 2+

dal Ca e coinvolge il cGMP (GMP ciclico), mentre l’altra dipende dal Ca e dalla calmodulina.

In ogni caso, viene attivato un segnale intermedio che entra nel nucleo e si lega al repressore GAI.

L’inattivazione di GAI permette l’espressione dei fattori di trascrizione (MYB) per i geni dell’α-

amilasi. Questo enzima viene incapsulato in vescicole di trasporto che vengono liberate

nell’endosperma per demolire l’amido.

Le gibberelline quindi aumentano la trascrizione degli mRNA per l’α-amilasi, agendo sul

promotore (è stato provato da esperimenti di delezione).

Per provare la relazione fra gibberelline e fattori di trascrizione venne ideato il saggio dello

spostamento della mobilità (pag. 728). Da una molecola di DNA viene isolato il gene per l’α-

amilasi più qualche base a monte. Queste basi a monte vengono marcate con P radioattivo, in modo

da seguirne il percorso su un gel elettroforetico.

Quindi si estrae il contenuto proteico sia di porzioni di aleurone trattate con gibberelline, che di

porzioni non trattate. Queste proteine prelevate vengono messe a contatto con i frammenti sul gel. I

frammenti posti a contatto con le proteine del tessuto trattato, formano una banda più spessa e lenta:

più proteine si legano al frammento (i fattori di trascrizione), provando la connessione fra questi e la

presenza di gibberelline. CITOCHININE

In questo capitolo vengono trattati i problemi relativi alla regolazione della divisione cellulare ed

il ruolo delle citochinine a riguardo.

Il nome citochinine deriva dal fatto che questi ormoni furono scoperti durante degli esperimenti, in

cui si cercava di scoprire quale fattore stimolasse la citochinesi.

Sebbene medino molti processi cellulari, infatti, il ruolo più importante delle citochinine è quello di

regolare la divisione cellulare.

Come negli animali, quando una cellula vegetale si è divisa, è maturata ed ha assunto un ruolo

specifico non può più tornare indietro.

Soltanto nelle piante ci sono dei casi in cui, tuttavia, una cellula può tornare a dividersi e formare

dei meristemi secondari (cambio). Ad esempio questo succede quando un tessuto viene ferito.

Addirittura possono riprendere a dividersi delle cellule iper-specializzate come le cellule di guardia.

In genere l’attività mitotica indotta dalle ferite è auto-limitante, nel senso che dopo poche divisioni

la cellula ricomincia a differenziarsi.

Agrobacterium tumefaciens è un parassita delle piante che sfrutta questa capacità di ridividersi dopo

la maturità: stimola infatti la proliferazione tumorale di un gruppo di cellule alla base della pianta

(tumore del colletto), che formano una massa disorganizzata chiamata galla.

Questo funzionamento dei tessuti adulti ha fatto dedurre allo studioso Haberlandt che le cellule

adulte smettono di dividersi perché non ricevono più il segnale, probabilmente un ormone, per la

divisione.

Nei suoi esperimenti, Haberlandt dimostrò che il tessuto vascolare possedeva delle sostanze in

grado di stimolare la divisione di tessuti di tubero di patata lesionati. Più tardi la sostanza in

questione fu identificata come una citochinina.

S COPERTA E PROPRIETÀ DELLE CITOCHININE

L A CHINETINA È LA PRIMA CITOCHININA SCOPERTA

Furono condotti vari esperimenti per trovare delle sostanze capaci di indurre e mantenere la

proliferazione dei tessuti posti in coltura. Il successo maggiore si ottenne quando nel terreno

nutritivo venne versato del latte di cocco (l’endosperma liquido del cocco): questo significava che

nel latte di cocco erano presenti delle sostanze che stimolavano le cellule adulte non solo a

proliferare, ma a restare in questo stato per parecchio tempo.

Negli anni ‘40 e ’50, lo studioso Skoog fece numerosi esperimenti usando come base tessuti

coltivati di midollo di tabacco. Quando pose a contatto di questo il DNA dello sperma di aringa

autoclavato, notò un forte incremento della divisione cellulare. Un’analisi più approfondita

identificò una sostanza che, in presenza di auxina, stimolava la proliferazione cellulare: la chinetina

(6-furfurilamminopurina). In assenza di auxina, l’effetto della chinetina non si manifestava.

La chinetina è un prodotto artificiale, dovuto alla degradazione del DNA indotta dal calore, ma la

sua scoperta fu importante perché dimostrò che la divisione cellulare poteva essere indotta da una

sostanza chimica.

L A ZEATINA È LA CITOCHININA PIÙ ABBONDANTE

Nel 1965, alcuni studiosi dimostrarono che, nell’endosperma maturo di mais, si trovava una

sostanza che funzionava come la chinetina: era una purina che venne battezzata zeatina (formula

pag. 741). La catena laterale che dona alla purina le caratteristiche di una zeatina possiede un

doppio legame, per cui esiste una zeatina cis ed una trans (la forma attiva).

La zeatina è talmente abbondante che le citochinine sono state definite come “composti che hanno

atitvità biologica simile a quella della trans-zeatina”. Un callo è una galla estratta dalla pianta,

quindi un tessuto non organizzato.

Sono state prodotte in laboratorio varie citochinine sintetiche che avessero proprietà simili alla

zeatina. La più comune è la benzilamminopurina (formula pag. 742).

B IOSINTESI DELLE CITOCHININE

L’unità di base per la biosintesi delle citochinine è l’isoprene, che si lega all’N in posizione 6

dell’anello purinico.

Per spiegare la biosintesi di citochinine, è utile spiegare come viene scatenato il tumore del colletto

(pag. 746).

Il plasmide Ti di Agrobacterium tumefaciens viene inserito nella cellula ospite. Una piccola

porzione di questo, conosciuta come T-DNA, viene incorporata nel DNA nucleare: questo

frammento possiede il gene ipt, necessario per la biosintesi della trans-zeatina e dell’auxina.

Ipt, infatti, codifica per la citochinina sintasi (o preniltransferasi), che trasferisce un gruppo

∆ −IPP

2 2

isopentenile dal (∆ -isopentenil pirofosfato) all’AMP (una purina), originando isopentenil

adenina ribotide (pag. 747). Questa molecola viene convertita in trans-zeatina attiva.

Un altro modo che la pianta ha per ottenere le citochinine è l’idrolisi del tRNA.

Le citochinine possono esistere in una forma libera (la percentuale più abbondante) oppure in forma

“legata”. In pratica, tutti i tRNA possiedono delle basi modificate. Alcune di queste possono

fungere da citochinine in seguito ad idrolisi del tRNA, ma questo non significa che l’idrolisi del

tRNA sia la maggior fonte di citochinine libere.

Recentemente è stata proposta l’ipotesi che le piante non siano in grado di sintetizzare da sole le

citochinine, ma che dipendano completamente dai batteri simbionti. L’ipotesi è stata rafforzata dal

fatto che, fin’ora, non sono stati isolati geni per le citochinine nelle cellule vegetali.

R UOLO BIOLOGICO DELLE CITOCHININE

La maggior parte delle scoperte relative al ruolo biologico delle citochinine deriva da esperimenti in

cui, in diversi tipi di cellule della pianta, viene introdotto il plasmide Ti. In questo modo, vengono

prodotte citochinine in eccesso e sono evidenziate delle anomalie dello sviluppo.

Per studiare questi effetti sono state indotte delle mutazioni nel T-DNA, in modo da colpire una

volta il gene per la produzione delle auxine ed un’altra per le citochinine: nel primo caso la pianta

produceva un eccesso di radici (tumori radicanti), nel secondo di germogli (tumori

germoglianti). Se veniva modificato un altro locus del T-DNA che codifica per le octopine

(arginine modificate) si sviluppavano tumori non differenziati.

In un altro esperimento che considerava solo l’uso di ipt, venne posto prima del gene un promotore

che rispondeva alla presenza di auxina. Come risultato, la sovrapproduzione di citochinine è stata

circoscritta ai tessuti che producono auxina.

Da queste piante è stato possibile trarre delle conclusioni sui ruoli biologici delle citochinine:

La dominanza apicale è ridotta (ruolo più tipico delle auxine) e viene stimolata la

 produzione di gemme laterali (tipico delle citochinine).

La senescenza è quel fenomeno per cui foglie staccate dalla pianta cominciano a perdere

 clorofille, RNA, lipidi e proteine, anche se vengono mantenute all’umido o sono rifornite dei

nutrienti necessari. Le citochinine ritardano la senescenza: possono agire sia su tutta la

pianta, che su una sola foglia, come pure su una porzione della foglia.

Le citochinine promuovono la mobilitazione dei nutrienti, che si muovono, appunto, verso

 le zone più ricche di citochinine (pag. 760). Sembra che questo ormone causi una variazione

nel rapporto fra sorgente e pozzo del floema.

Gli apici di piante che producono citochinine in eccesso formano molte più foglie, che sono

 molto più verdi (più clorofilla). Nelle pianticelle cresciute al buio (eziolate) al posto dei

cloroplasti si sviluppano degli ezioplasti, ricchi di carotenoidi (per questo le piante eziolate

sono gialle). Non appena sono esposte al Sole, le piantine sviluppano cloroplasti e

convertono i propri ezioplasti. Allo stesso modo, se sono trattate con citochinine ma

mantenute al buio, sviluppano dei cloroplasti con grana molto estesi, più clorofilla e più

enzimi per la fotosintesi. Questo significa che le citochinine partecipano alla sintesi dei

componenti necessari alla fotosintesi.

Le citochinine promuovono l’espansione cellulare nelle foglie e nei cotiledoni, senza

 aumentarne il peso secco. L’effetto è simile alla distensione cellulare dei fusti per azione

delle auxine, tanto che si verifica anche un indebolimento della parete (ma non l’estrusione

dei protoni). Viceversa, sembra che le citochinine inibiscano l’espansione di fusti e radici.

L’eccesso di citochinine ed auxina è anche associato alla formazione dei tumori genetici (studiati

per la prima volta in piante di Nicotina), del tutto simili alle galle ma non indotti da agenti esterni.

In questi tumori, inoltre, le cellule si dividono senza differenziarsi nel tipo cellulare associato al

tessuto da cui hanno origine.

L A RELAZIONE FRA AUXINE E CITOCHININE

Sia l’auxina che la citochinina regolano il ciclo cellulare attraverso delle chinasi ciclina-dipendenti

(CDK). I geni che codificano per le CDK sono regolati dall’auxina. Le molecole prodotte, però,

sono inattive. Le citochinine producono delle cicline di tipo G1 che, in associazione con le CDK,

formano un complesso CDK-ciclina G1 attivo.

Questo complesso innesca il passaggio delle cellule alla fase S del ciclo cellulare.

Un altro sistema di azione delle citochinine consiste nella defosforilazione del complesso CDK:

quando questo viene fosforilato, infatti, si inattiva. Le citochinine, quindi, possono riattivare un

ciclo cellulare in pausa.

In esperimenti su porzioni di midollo di tabacco venne osservato che, a seconda del rapporto

auxine/citochinine, venivano o meno prodotte delle radici o dei germogli (pag. 756): un valore

elevato del rapporto (più auxine) stimolava la formazione di radici, mentre un valore basso portava

alla formazione di germogli. Se il rapporto aveva un valore vicino ad 1, il callo cresceva

indifferenziato. ACIDO ABSCISSICO

In questo capitolo vengono descritti gli effetti dell’ABA sulla pianta, tralasciando la sua biosintesi

e metabolismo.

Il nome acido abscissico (ABA) deriva dal coinvolgimento di questa molecola nel processo di

abscissione. L’ormone comunque è stato isolato dalle germe dormienti, perché stimola, appunto, la

dormienza.

In realtà, comunque, è più direttamente l’etilene a stimolare l’abscissione, mentre l’ABA stimola la

produzione di etilene (con le auxine).

L’ABA NEI SEMI

Lo sviluppo del seme si divide in due fasi:

Fase delle divisioni cellulari, in cui lo zigote diventa un embrione e l’endosperma prolifera.

 Fase dello sviluppo, in cui il seme cessa di dividersi, si secca e si sviluppa.

La concentrazione di ABA è massima dopo la disidratazione, quando l’embrione entra in uno stato

di quiescenza, e diminuisce durante lo sviluppo.

Questi dati hanno portato gli scienziati a pensare, giustamente, che l’ABA producesse delle proteine

coinvolte nella tolleranza alla disidratazione, che hanno il ruolo di proteggere la membrana e le

proteine della cellula dal deterioramento. Sembra che queste proteine, infatti, siano in grado di

legare l’acqua in modo molto stretto, mantenendo un minimo livello di idratazione interna.

Sembra inoltre che l’ABA promuova l’accumulo di sostanze di riserva durante gli ultimi stadi

dell’embriogenesi, cioè promuova la traslocazione dei nutrienti nel seme.

L A DORMIENZA

Abbiamo visto che, dopo la disidratazione, l’embrione entra in uno stato di dormienza. La

germinazione consiste nella ripresa dell’accrescimento dell’embrione maturo.

Affinché il seme germini, acqua ed ossigeno devono essere ben disponibili. Delle volte, anche

quando l’ambiente sembrerebbe adattissimo alla germinazione, il seme resta dormiente (dormienza

del seme). In genere la dormienza permette che il seme venga disseminato su distanze geografiche

maggiori e permette al seme di sopravvivere impedendogli di germinare in condizioni sfavorevoli.

Sono stati identificati due tipi di dormienza:

Dormienza imposta dal tegumento del seme: il tegumento impone la dormienza

 all’embrione ed ai tessuti interni del seme, ma in presenza di ossigeno ed acqua il seme

germoglierà senza difficoltà. Per mantenere questa dormienza, il tegumento può impedire

l’assorbimento d’acqua, impedire meccanicamente la germogliazione (è troppo duro da

penetrare), interferire con gli scambi gassosi (tegumento troppo impermeabile), ritenere

sostanze inibitrici della crescita, produrre inibitori.

Dormienza imposta dall’embrione: insita nell’embrione stesso.

La dormienza, inoltre, è primaria, se il seme è disperso quando si trova già in dormienza, o

secondaria, se il seme è disperso in fase attiva ma viene indotto alla dormienza dalle condizioni

ambientali.

I semi hanno tanti modi per uscire dalla dormienza. Una diminuzione ulteriore dell’umidità causa

un risveglio definito post-maturazione, così come il seme si sveglia se la temperatura è troppo

bassa (raffreddamento), tanto che nelle più recenti pratiche agricole i semi vengono messi in un

apposito frigorifero.

Nei semi fotoblastici anche la luce può interrompere la dormienza. Il fitocromo è il principale

responsabile dell’assorbimento della luce in queste circostanze. Sembra che la luce diminuisca lo

spessore degli strati esterni del seme e permetta la germinazione.

R ’ABA

UOLO DELL NELLA DORMIENZA

L’ABA è certamente l’ormone responsabile della dormienza. Tuttavia, intervengono anche altri

fattori che contribuiscono assieme all’acido abscissico ad indurre questo stato. In particolare,

sembra che il rapporto ABA/GA svolga un ruolo centrale (l’ABA inibisce la crescita mentre GA la

stimola). Per questo la concentrazione di ABA non è sempre direttamente proporzionale al grado di

dormienza.

Più in particolare, l’ABA inibisce la sintesi degli enzimi idrolitici necessari per scindere le riserve

alimentari del seme, e la cui sintesi è stimolata da GA (α-amilasi).

La dormienza non è importante solo per gli embrioni. Quando il clima è particolarmente rigido, gli

alberi proteggono le loro gemme sintetizzando delle squame più spesse dette perule, ma ne

bloccano contemporaneamente la crescita facendole entrare in dormienza.

A ’ABA

LTRI EFFETTI DELL

Oltre alla stimolazione della dormienza, l’ABA ha anche altri importanti effetti biologici:

Chiude gli stomi in risposta allo stress idrico: l’ABA viene accumulato in foglie

 sottoposte a stress idrico e stimola la chiusura degli stomi. Sebbene a prima vista i prelievi

dimostrino che, in corrispondenza di questo fenomeno, la concentrazione di ABA

diminuisca, in realtà la chiusura degli stomi è semplicemente stimolata dalla redistribuzione

dell’ABA.

Aumenta il flusso d’acqua verso le radici: quindi l’ABA regola il turgore non solo

 limitando la traspirazione, ma anche aumentando il flusso d’acqua verso le radici. L’ABA

aumenta il flusso d’acqua sia aumentando la conduttività idraulica, perché diminuisce la

resistenza dell’acqua, sia innalzando l’assorbimento ionico, che causa un aumento della

differenza di potenziale idrico fra il suolo e la radice.

A bassi potenziali idrici, promuove la crescita della radice ed inibisce quella del

 germoglio: bassi potenziali idrici indicano una situazione di stress. Mentre quindi si

chiudono gli stomi, la radice cresce per cercare nuove fonti d’acqua, mentre il germoglio

blocca la sua crescita aspettando un momento migliore.

Promuove la senescenza fogliare: l’etilene è il principale responsabile dell’abscissione e

 della senescenza, ma l’ABA può agire su quest’ultimo fenomeno e stimolare la sintesi di

etilene per l’abscissione.

IL CONTROLLO DELLA FIORITURA

Quando la pianta matura, il germoglio si sviluppa in fiore (cambiamento di fase). L’insieme degli

eventi che si verificano nell’apice del germoglio e che lo inducono a produrre fiori sono indicati con

il termine di induzione fiorale.

I segnali che portano alla fioritura possono essere divisi fra fattori endogeni, come i ritmi

circadiani e gli ormoni, e fattori esogeni, come il fotoperiodismo (la durata del giorno) e la

vernalizzazione (esposizione dei germogli al freddo). L’interazione fra fattori endogeni ed esogeni

rende le piante in grado di regolare i propri cicli di sviluppo.

Comunque, una pianta può fiorire poco dopo la germinazione, oppure crescere per molti anni prima

di produrre dei fiori: in questi casi in cui la fioritura dipende esclusivamente da fattori interni, si

dice che la pianta sia sottoposta a regolazione autonoma.

Se invece è strettamente necessario un particolare stimolo ambientale affinché avvenga la fioritura,

si parla di risposta obbligata. Se lo stimolo serve semplicemente ad amplificare la risposta, allora

questa è facoltativa.

L’

APICE DEL GERMOGLIO ED I CAMBIAMENTI DI FASE

Durante lo sviluppo, il meristema dell’apice vegetativo attraversa tre fasi di sviluppo: fase

giovanile, fase adulta vegetativa e fase adulta riproduttiva. La transizione da una fase all’altra è

chiamata cambiamento di fase, ed il momento in cui la pianta diventa in grado di produrre i fiori

(fase adulta vegetativa) viene detto acquisizione della competenza.

Il passaggio alla fase adulta in genere è segnato da cambiamenti morfologici (forma e disposizione

delle foglie, presenza di spine, capacità radicale – pag. 830), secondo il modello combinatorio: si

crea un gradiente di tessuti giovani lungo l’asse del germoglio, per cui alla base della foglia o del

germoglio resteranno i tessuti giovani, viceversa verso l’apice.

In situazioni di stress si può innescare il processo inverso, cioè un ringiovanimento della pianta,

mentre situazioni particolarmente favorevoli accelerano il passaggio all’età adulta: un’intensa

luminosità, infatti, accelera il trasporto di carboidrati, ormoni (le GA inducono la formazione delle

gemme, ma in certi casi anche il ringiovanimento) ed altri nutrienti al germoglio.

S ’

TADI DELL INDUZIONE A FIORE

Gli stadi dell’induzione del fiore sono lo stadio competente, lo stadio determinato e lo stadio

espresso (pag. 833).

Un gruppo di cellule si definisce competente se risponde nel modo previsto quando è sottoposto ad

un segnale di sviluppo appropriato. Un tessuto, infatti, non è recettivo contemporaneamente a tutti

gli stimoli, ma li recepisce o meno in funzione della fase della vita in cui si trova. Quindi, il primo

stadio dell’induzione fiorale consiste nell’acquisizione della competenza da parte del meristema

Un meristema di dice determinato se è capace di seguire lo stesso modello di sviluppo anche se

viene rimosso dal suo contesto fisico ed ambientale. Il fotoperiodo provoca il passaggio allo stadio

determinato, perché promuove la traslocazione dello stimolo fiorale dalle foglie al resto della

pianta, in modo da indirizzare lo sviluppo della pianta.

Delle volte, affinché la determinazione venga espressa attraverso la morfogenesi, è necessario un

secondo stimolo, probabilmente un ormone (GA).

R ITMI CIRCADIANI

L’alternanza ciclica di luce e buio influenza i ritmi di vita sia delle piante che degli animali, che

regolano il proprio metabolismo anche in funzione di questi cambiamenti.


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blacksun

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DESCRIZIONE APPUNTO

Riassunto per l'esame di Fisiologia Vegetale con il prof Federico, basato su appunti personali e studio autonomo del libro consigliato dal docente “Fisiologia vegetale” di L. Taiz, anno 2005, . Integrato con appunti delle lezioni.
Fra gli argomenti: acqua, bilancio idrico, nutrizione minerale, trasporto dei soluti, fotosintesi, ciclo di calvin, ciclo del c4, metabolismo cam, floema, assimilazione dei nutrienti, parete cellulare, fitocromo, fotorecettori, auxine, giberelline, citochinine, fioritura


DETTAGLI
Corso di laurea: Corso di laurea in scienze biologiche
SSD:
A.A.: 2005-2006

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher blacksun di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Fisiologia vegetale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Roma Tre - Uniroma3 o del prof Federico Rodolfo.

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