Micronutrienti ed elementi benefici nelle colture orticole fra aspetti critici e nuove opportunità per la produzione e la qualità Stefano Cesco

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1 Micronutrienti ed elementi benefici nelle colture orticole fra aspetti critici e nuove opportunità per la produzione e la qualità Stefano Cesco Libera Università di Bolzano

2 Essential mineral element (or mineral nutrient) as proposed by Arnon and Stout (1939). 1. A given plant must be unable to complete its lifecycle in the absence of the element 2. The function of the element must not be replaceable by another element. 3. The element must be directly involved in plant metabolism for example, as a component of an essential plant constituent such as an enzyme or it must be required for a distinct metabolic step such as an enzyme reaction. According to this strict definition, an element which alleviates the toxic effects of another element (e.g., Si for Mn toxicity), or one which simply replaces another element (e.g., Na for K) may not be described as essential for plant growth

3 Micronutrients are defined as substances in foods that are essential for human health and are required in small amounts Micronutrient malnutrition affects about 1/3 of the global population

4 1. il caso del Ferro (Fe): a) disponibilità nel suolo e funzioni metaboliche, b) meccanismi di acquisizione ed efficienza d uso, c) interazioni con altri nutrienti quali N e S, d) possibili strategie per una biofortificazione 2. il caso del Nickel (Ni): con particolare riferimento all acquisizione dell N e la qualità del prodotto edule 3. il caso del Silicio (Si): effetto benefico in relazione alla produttività e ai meccanismi di acquisizione di altri nutrienti

5 il caso del Fe

6 Disponibilità nel suolo Ferro Solubility of inorganic iron species in equilibrium with iron oxides in well-aerated soils in comparison Solubilità to the requirement delle of specie soluble iron ioniche at the root del surface ferro of in various equilibrio plant species con (Römheld ossidi and di ferro Marschner, 1986) in relazione alle esigenze di alcune colture

7 Disponibilità nel suolo Ferro Solubility of inorganic iron species in equilibrium with iron oxides in well-aerated soils in comparison Solubilità to the requirement delle of specie soluble iron ioniche at the root del surface ferro of in various equilibrio plant species con (Römheld ossidi and di ferro Marschner, 1986) in relazione alle esigenze di alcune colture

8 Funzioni metaboliche Ferro componente strutturale dei sistemi proteici partecipa a reazioni redox (Fe II e - Fe III e viceversa Fe III + e - Fe II ) Per i suoi molteplici ruoli il ferro ha una posizione di assoluta preminenza fra i micronutrienti infatti: come cofattore (proteina eme) partecipa a fotosintesi e respirazione (citocromi)

9 Meccanismo di acquisizione in dicotiledoni Ferro Strategy I H + AHA2 ATP ADP H + Fe(III)-chelate FRO2 NADH Fe(II) NAD + Fe(II) IRT1 Fe(II) Apoplasm Symplasm

10 Meccanismo di acquisizione in dicotiledoni Ferro Piante di Cetriolo di 16 giorni + Fe - Fe Attività Fe (III) -chelato riduttasica [nmol Fe (II) g pf -1 h -1 ]

11 Efficienza d uso fonti Ferro Fe-Microbial Siderophores Fe-Phytosiderophores Fe-Organic acids Fe-WEHS Fe-Phenolic compounds Australian Government, Grain Research and Development Corporation, GRDC for growers, issue 40, June 2002 A wheat root and surrounding soil, the rhizosphere, and root hairs extending into a pore space

12 Efficienza d uso fonti Ferro

13 Efficienza d uso fonti Ferro

14 Fe N Ferro

15 Fe N Ferro Accumulo di Nitrati nelle foglie -Fe

16 Fe N Ferro

17 Fe S Ferro

18 Fe S Ferro

19 Fe S Ferro

20 N S Ferro

21 N S Ferro Accumulo di Nitrati nelle foglie

22 Ferro Fe NO 3 - S Importante per efficienza d uso delle fonti ferriche

23 Ferro Fe NO 3 - S Importante per efficienza d uso dei nutrienti nel suolo

24 Efficienza d uso fonti Ferro +Fe -Fe Control Fe-WEHS Fe-EDTA

25 Biofortificazione Ferro

26 Biofortificazione Ferro

27 il caso del Ni

28 Nickel 1. in biological systems the preferred oxidation state Ni 2+ (NiII), but it can also exist in NiI and NiIII redox states 2. forms stable complexes (with histidine, cysteine and citrate, and in Ni-enzymes it is coordinated to various ligands 3. involved in the function of at least nine proteins of which urease and the Niurease accessory protein are the most relevant 4. Ni concentration in plants grown on uncontaminated soil ranges from 0.05 to 5.0 µg g-1 dw 5. The clearest agronomic responses to Ni have been observed when N is supplied as urea or by N 2 fixation (without Ni, accumulation of urea, severe necrosis of the leaf tips, reduced growth rate). 6. Ni deficiency also: marked enhancement in plant senescence and reduction in tissue Fe concentrations Piante di cetriolo allevate in soluzione idroponica preparata con sali di grado analitico Fe Analisi al Sincrotrone2D Scanning µ-xrf Ni Zanin et al., 2011

29 Nickel

30 Nickel La quantità di Ni negli alimenti è in aumento a causa della contaminazione ambientale L assunzione di Nichel da parte della popolazione italiana oscilla tra i 150 e i 900 g/die a fronte di un fabbisogno di g/die incremento di patologie immunologiche fra cui l infiammazione intestinale, che rappresenta il primo passo verso l infiammazione sistemica che caratterizza i pazienti affetti dalla cosiddetta Systemic Nickel Allergy Syndrome (SNAS) Allergic contact eczema due to nickel in studs and buttons on jeans

31 Silicio il caso del Si

32 Silicio SILICON 1. the second most abundant element in the earth s crust; 2. In soil solution at ph below 9.0, the prevailing form is monosilicic acid, Si(OH)4, an uncharged form, with a solubility in water (at 25 C) of ~2 mm (equivalent to 56 mg Si L-1) 3. All plants grown in soil will contain some Si in their tissues, however, the Si concentration in the shoots varies considerably among plant species 4. Plant roots take up Si in the form of silicic acid (Si(OH)4). There are three different modes for Si uptake; active, passive and rejective uptake, depending on plant species

33 Silicio

34 Silicio I sistemi di impermeabilizzazione e l assenza di particelle di suolo limitano fortemente la presenza di Si nelle soluzioni idroponiche

35 Silicio

36 Silicio

37 Silicio

38 Silicio

39 Silicio

40 Ni Fe Si Ferro NO 3 - S Importante per efficienza d uso dei nutrienti nel suolo

41 Libera Università di Bolzano: Tanja Mimmo, Matteo Mario Scampicchio e Stefano Cesco Università degli Studi di Bari Aldo Moro: Roberto Terzano Università degli Studi della Tuscia: Stefania Astolfi e Sabrina Zuchi Università degli Studi di Udine: Nicola Tomasi, Stefano Gottardi, Roberto Pinton, Luisa Dalla Costa e Lara Manzocco University of Belgrade: Miroslav Nikolic University Hohenheim Volker Römheld Ricerca eseguita con contributi dei progetti: Regione Friuli Venezia-Giulia LR/ Unibz TN5056 AGER STAYFRESH ( )

42 Ferro Fe S