Stomi. Principale strumento di controllo della traspirazione. Agli stomi è stato affidato il compito di fornire il cibo mentre impediscono la sete

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1 Stomi Principale strumento di controllo della traspirazione RASCHKE (1976) Agli stomi è stato affidato il compito di fornire il cibo mentre impediscono la sete Fotosintesi-traspirazione Paradosso o Compromesso 1

2 Equazione per la fotosintesi CO 2 + H 2 O (CH 2 O) n + O 2 Questa equazione suggerisce: Gas, come CO 2 e O 2, sono importanti nel metabolismo energetico della pianta; Le piante devono scambiare i gas con l ambiente; e Per ottenere CO 2 devono necessariamente perdere H 2 O (traspirare). Quindi, la traspirazione è un danno necessario della fotosintesi. Considerazioni teoriche: E necessaria una grande area superficiale per un efficiente scambio gassoso; Una grande area superficiale offre una grande superficie di disidratazione; Ridurre la disidratazione vuol dire porre all interno dell organismo la superficie di assorbimento e quindi la superficie di scambio gassoso; Traspirazione/Fotosintesi - Paradosso/Compromesso: Paradosso: Per ottenere CO 2 per la fotosintesi, le piante devono evolvere larghe e sottili superfici e proteggerle dalla disidratazione Compromesso: tra la quantità di CO2 assorbita e la quantità di H2O persa per traspirazione 2

3 Complicazioni: La tendenza di perdere H 2 O è più grande della tendenza della CO 2 a diffondere nella pianta Traspiration ratio = mol water transpired /mol CO 2 fixed Questo rapporto è uguale a 200 cioè circa 200 Kg di H2O traspirata / 1Kg di biomassa prodotta Perché? Diffusione = gradiente / resistenza A parità di resistenza per CO 2 e H 2 O, il gradiente per queste molecole non è lo stesso, il gradiente CO 2 est/int è circa 0.36 mmol mol -1 quello per l H 2 O è 32 Diffusione e peso molecolare Basandosi sul peso molecolare, la tendenza dell H 2 O di diffondere fuori dalla foglia è 1.56 volte più grande della CO 2 a diffondere all interno della foglia Compromesso regolato dagli stomi Essi devono quindi : Garantire una via aperta per l assorbimento di CO 2 e preservare la pianta da una perdita eccessiva di H 2 O 3

4 Caratteristiche speciespecifiche Numero Disposizione Taglia Forma Mobilità Stomata typical of dicots Potato (Solanum) Stomata typical of monocots Maize (Zea) 4

5 begonia banana 5

6 Adattamenti strutturali per ridurre la traspirazione Cripta stomatica Peli radicali Quercus sp Cycas sp Oleander 6

7 cripta stomatica Banksia sp 7

8 Complesso stomatico Due cellule di guardia Rima stomatica Cellule sussidiarie Cellule di guardia Presenti nelle foglie di tutte le piante vascolari e negli organi di piante più primitive (muschi, epatiche) diversità morfologica A manubrio di ginnasta con parti terminali bulbose Graminacee e poche monocotiledoni (palme) Reniformi Dicotiledoni e altre monocotiledoni 8

9 Le cellule di guardia sono cellule affiancate e senza connessioni citoplasmatiche Cellule epidermiche specializzate che circondano la rima stomatica Caratteristiche delle cellule di guardia piccoli cloroplasti Tracce di Rubisco Scarsa fissazione della CO 2 La fotosintesi potrebbe costituire Sono strutturate in modo da poter determinare con il loro rigonfiamento e svuotamento apertura e chiusura dello stoma un sensore per la CO 2 Mezzo principale di regolazione degli scambi gassosi valvole di turgore 9

10 Porzioni di pareti differenzialmente ispessite (5 µm) Caratteristiche strutturali della parete delle cellule di guardia Micellazione radiale delle microfibrille di cellulosa Maggiore ispessimento in quella parte di parete che delimita la rima stomatica Permette alla cellula di guardia, assorbendo H 2 O ed espandendosi, di accrescersi in lunghezza e non in diametro Sembra più importante dell ispessimento delle pareti 10

11 Rima stomatica Cellule sussidiarie o compagne È rappresentata da una lunga fenditura che separa le due porzioni mediane delle cellule di guardia Cellule epidermiche differenziate Aiutano le cellule di guardia a controllare le aperture stomatiche Sono spesso assenti in specie con stomi reniforme e sostituite da semplici cellule epidermiche 11

12 Stomi: struttura ideale per regolare gli scambi gassosi Molti sono i pori sulla superficie delle piante; I pori comprendono una larga area della superficie di una pianta; I pori sono piccoli; I pori sono perfettamente distribuiti; I pori sono perfettamente localizzati; Il grado di apertura/chiusura dei pori è strettamente regolato in risposta a condizioni ambientali. 12

13 stomi per cm 2 = 2-3 % della superficie fogliare Localizzati spesso solo nella pagina inferiore della foglia ma in molte specie anche su ambedue le pagine Da Meidner e Mansfield,

14 Diffusion from a "Standard Leaf" Supplied by Dr. Paul Birnberg. Quanto più piccolo è il poro, tanto più alta è l efficienza di diffusione per unità di superficie 14

15 Le molecole di gas diffondono attraverso il poro formando Conchiglie di diffusione Vapore d H 2 O diffonde attraverso gli stomi in tutte le direzioni andando ad occupare superfici non munite di stomi Questo mantiene sempre ripido il gradiente di pressione di vapore fra l interno e l esterno della foglia Il paradosso dei pori 15

16 Ha lo strato di diffusione più breve Il gradiente di concentrazione più ripido La conduttività dipende: Dalla distanza che le molecole di H 2 O devono compiere per diffondere (strato di diffusione) Dall aria di scambio (superficie poro) Se la distanza fra i pori è inferiore allo spessore dei loro strati di diffusione, le emisfere centrate sui pori si sovrapporranno e formeranno uno strato di diffusione unico. 16

17 Schema di apertura stomatica (1) Stomi chiusi (cellula di guardia flaccide) Ingresso di H 2 O dalle cellule sussidiarie Incremento della pressione Stomi aperti (cellula di guardia turgide) 17

18 Cellule di guardia, Ψ 1 = -3,5 MPa Cellule sussidiarie, Ψ 2 = -1,5 MPa 1,5 2,0MPa 1 2 3,5 diminuzione del Ψ w nelle cellule di guardia dovuta ad una diminuzione del Ψ s Richiamo d H 2 O nelle cellule di guardia dalle cellule sussidiarie adiacenti Stoma chiuso Ψs -1,9 MPa Stoma aperto Ψs -3,5 MPa 18

19 Aumenta pressione di turgore Ψ p e compensa il minore Ψ s Stoma aperto 3-12 µm di larghezza e µm di lunghezza Aumento del volume da 40 a 100 % a seconda della specie l incremento di volume nelle cellule di guardia è dovuto all aumento della concentrazione di soluti nel succo cellulare Schema di apertura stomatica (2) Stomi chiusi (cellula di guardia flaccide) Aggiunta di soluti Riduzione del Ψs Riduzione del Ψw Ingresso di H 2 O Incremento della pressione Stomi aperti (cellula di guardia turgide) 19

20 Quali soluti e da dove vengono? Ipotesi amido-zucchero (1908) La quantità di amido diminuiva durante l apertura stomatica, la sua idrolisi in zuccheri solubili erano responsabili della diminuzione del Ψ s e dell apertura stomatica. A stomi chiusi l amido era sintetizzato ed il destino dello zucchero non era chiaro: era utilizzato come substrato per la respirazione oppure estruso nell apoplasto. Quest ipotesi fu abbandonato con la scoperta del K +. Il saccarosio delle cellule di guardia diventa il soluto osmoticamente attivo dominante a seguito dell efflusso di K + Apertura giornaliera all alba associata primariamente ad accumulo di K + Chiusura associata primariamente a diminuzione di saccarosio 20

21 K + agente osmotico primario Trasporto di Ioni K + dalle cellule sussidiarie alle cellule di guardia 0,5 M K + sono sufficienti a far diminuire il Ψ s di circa 2 MPa Esperimenti su cellule di guardia di Vicia faba prive di cellule sussidiarie mostrano che le cellule di guardia si aprono solo se alla soluzione è aggiunto K + 21

22 In alcune specie (Allium cepa) il flusso di K + è accompagnato da Cl - Entra per bilanciare elettricamente l ingresso del K + e fuoriesce con il K + In altre specie lo ione K + è neutralizzato dallo ione malato 2- Deriva dall idrolisi dell amido contenuto nei cloroplasti delle cellule di guardia Le proporzioni di Cl - e malato 2- per bilanciare gli ioni K + dipendono dalle condizioni ambientali In cella climatica: malato 2- In serra: Cl - 22

23 Schema di apertura stomatica (3) stoma chiuso (GC flaccide) saccarosio/potassio/malato/cloro basso Ψs riduzione Ψw ingresso H 2 O (osmosi) aumento pressione stoma aperto (GC turgide) Per chiudere stoma, processo inverso Comunque, poiché l assorbimento del potassio è associato con l apertura degli stomi nella mattina, mentre la perdita di saccarosio è maggiormente associata con la chiusura nel pomeriggio Schema di apertura stomatica finale (giorno/notte) stoma chiuso (GC flaccide) assorbimento potassio e cloro, sintesi malato basso Ψs riduzione Ψw assorbimento H 2 O (osmosi) dalle cellule sussidiarie aumento di pressione stoma aperto (GC turgide) riduzione saccarosio (potassio, cloro, malato) Ψs aumento Ψw aumento perdita H 2 O riduzione pressione stoma aperto(gc flaccide) 23

24 CELL WALL MEMBRANE Gas Exhange (e) Stomatal swelling A. Guard-cell symplast accumulate solutes from guardcell apoplast. B. Water flows into guard cells osmotically. C. Radial micellation of cellulose microfibrils prevents increase of cell diameter. D. Inner wall is strong and cannot be stretched. E. Water influx increases pressure, but water is incompressible, so guard-cell volume increases. The increase results from stretching of the dorsal wall. 24

25 Qual è il meccanismo del flusso degli ioni K + e Cl - e malato 2-? cellule di guardia Accumulo di K + Aumento di ph Cellule sussidiarie Esterne Terminale Epidermiche si comportano all opposto 25

26 Uso sperimentale delle luci blu e rossa per studiare le vie osmoregolative associate ai movimenti stomatici Attivazione H + -ATPasi Estrude protoni H + Δ ph E m Forza proton motrice pmf Forza guida per il trasporto passivo secondario del K + attraverso canali regolati dal voltaggio 26

27 Fuoriuscita di H + Alcalinizzazione del citoplasma Gradiente di ph 0,5-1 unità ph alcalino attiva l enzima PEPc citoplasma Ingresso di K + Simporto H + - Cl - Favorisce la produzione di acidi organici per le specie che utilizzano il malato come controione E stato recentemente evidenziato che l influsso di K + potrebbe essere anche energizzato da un simporto H + - K + ad alta affinità Apertura stomi: Processo attivo che necessita di ATP per il funzionamento della pompa protonica Respirazione Fosforilazione fotosintetica 27

28 Gas Exchange (g) Ion Transport stomatal opening Potassium uptake. Thermodynamics: MP Mechanism: MP & wall acidification activate the K in channel Proton extrusion makes membrane potential (MP) more negative and acidifies apoplast. Water influx Inside cell Membrane 28

29 Gas Exchange (j) Ion Transport stomatal closing A. Anion efflux shifts the membrane potential to a less negative position. B. Potassium efflux. Thermodynamics: MP Mechanism: MP activates the K out channel Inside cell Membrane 29

30 Fattori di controllo/regolazione della funzionalità delle cellule di guardia Intensità e qualità della luce le cellule di guardia funzionano come valvole idrauliche sensibili a molteplici fattori ambientali Concentrazioni intracellulari di CO 2 Ormoni Temperatura Umidità relativa Vento Luce Segnale ambientale dominante che controlla i movimenti stomatici In generale: luce = apertura; buio = chiusura (tranne per le piante CAM) 30

31 Regolazione temporale delle aperture stomatiche piante C 3 C 4 Apertura alle prime luci dell alba Chiusura al tramonto Favorisce la fotosintesi spesso a spese di un elevata traspirazione Previene inutile perdita di H 2 O Gli stomi si aprono non appena i flussi fotonici incidenti aumentano e viceversa Giorno Notte Questo deve interfacciarsi con la disponibilità di H 2 O 31

32 Buona disponibilità idrica ( zone temperate, caldo-umide) Scarsa disponibilità idrica ( zone calde o mattinate molto calde) Pianta scambia H 2 O per i prodotti della fotosintesi senza disidratarsi con gli stomi aperti durante la mattinata per permettere un efficiente fotosintesi Stomi si apriranno di meno o addirittura resteranno chiusi Piante CAM Piante adattate al deserto con fotosintesi CAM, gli stomi sono aperti di notte e chiusi di giorno Questo permette a queste piante di mantenere basso il rapporto di traspirazione Moli di H 2 O traspirata Moli di CO 2 assorbita Piante C 3 = 500 Piante C 4 = 250 Piante CAM = 50 Significato ecofisiologico 32

33 Aumento di flussi fotonici incidenti Radiazione fotosinteticamente attiva ( nm) Stomi aperti Intensità minima per apertura stomi Da 1/1000 a 1/30 della piena luce solare effetto indiretto della luce + luce + fotosintesi + consumo di CO 2 33

34 Esiste una risposta specifica della luce Espressione di due sistemi di fotorecettori distinti Dipendente dalla fotosintesi delle cellule di guardia (luce rossa) Guidata da una risposta alla luce blu Componente non fotosintetica Luce blu Luce rossa Meccanismo on-off Attivazione molto veloce Meno efficiente Tempo di latenza 25sec Pochi minuti per max velocità 15 volte più efficiente Rigonfiamento delle cellule di guardia e apertura stomatica 34

35 Luce blu zeaxantina Attivazione pompa H + -ATPasi Luce rossa Illuminazione solare luce rossa e/o luce blu È modulata dal cloroplasto delle cellule di guardia Bloccato da inibitori della fotosintesi Stimolazione differenziale di carotenoidi e clorofille selettivamente eccitati dall eccitazione di questi pigmenti si attivano vie di regolazioni 35

36 O 2 Basso livello di O 2 stimola apertura degli stomi CO 2 Pressione parziale di CO 2 negli spazi intercellulari del mesofillo fogliare Ogni fattore ambientale che aumenta la velocità di fotosintesi Consumo di CO 2 e quindi abbassamento della pco 2 interna Bassa pco 2 interna Apertura degli stomi A bassi livelli di irradianza la pco 2 interna può costituire il principale fattore di controllo ma ad alti livelli di irradianza più importante è il ruolo della luce 36

37 37

38 H 2 O Proteggere contro un eccessiva perdita di H2O Ci sono due meccanismi attraverso i quali la perdita di H 2 O regola la chiusura stomatica, uno passivo ed uno attivo. Controllo idropassivo Una semplice riduzione di turgore (fogliare cellule di guardia), dovuta a perdita di H 2 O, che porta alla chiusura che deterrmina la chiusura dello stoma. La pianta non sta intenzionalmente chiudendo lo stoma, ma è una semplice conseguenza della siccità. Controllo idroattivo questo meccanismo è uno col quale la pianta realmente sembra monitorare il suo stato idrico. Quando il Ψw cade sotto il valore critico, si innescano una cascata di eventi che determinano la chiusura degli stomi. Presumibilmente la pianta sta misurando la pressione (turgore)e quindi sintetizza e rilascia un antitraspirante che è traslocato verso le cellule di guardia per determinare la chiusura. 38

39 Acido Abscissico ABA Ormone che controlla la chiusura degli stomi ABA è sintetizzato a livelli bassi continuamente nelle cellule del mesofillo e accumulato principalmente nei cloroplasti In condizioni di stress idrico Concentrazioni da 7 a 13 µm aumenta di circa 50 volte 39

40 ABA Gli stomi si chiudono quando il Ψw fogliare decresce 40

41 Chiusura dello stoma è associata con un incremento di contenuto di ABA No H2O Maize leaves No H 2 O ABA sembra coinvolto nella chiusura degli stomi anche prima che si crei una variazione nello stato idrico fogliare 41

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44 ABA prodotto nelle radici disidratate degli starti superiori del suolo e trasportato nelle foglie può rendere capaci le piante di anticipare la condizione di stress idrico e indurre la chiusura degli stomi (feed forward response). Ri-distribuzione dell ABA dallo xilema durante lo stress idrico 44

45 Gas Exchange ion transport ABA action ABA Prodotto nelle radici e trasportato nelle foglie, o prodotto dalle stesse foglie o dalle cellule di guardia Attiva i flussi primari di Ca++ inibisce la pompa protonica inibisce fuoriuscita di H + depolarizzazione della membrana Inside cell ABA activates the K out channel via cytosolic alkalinization. blocca canali ingresso di K + favorisce canali di uscita di K + Membrane 45 Modified from Outlaw WH, Jr. Integration of cellular and physiological functions of guard cells. CRC Crit Rev Plant Sci 22:

46 è necessario stress idrico fogliare? sistema di allarme precoce Stato di siccità del suolo e disidratazione parziale del sistema radicale Traslocazione dell ABA dalle radici al germoglio attraverso il flusso traspiratorio Chiusura degli stomi Auxine-citochinine Apertura degli stomi fusicoccina Attiva pompa H + -ATPasi Azione dei diserbanti di tipo auxinico Soglia Rapidità modo di risposta Variano da una specie all altra Variano nell ambito della stessa specie Variano con il grado di adattamento all ambiente Nell ambito della stessa foglia (età, condizione 46 di sviluppo, posizione del germoglio)