La risposta agli stimoli non è univoca Sequenza di eventi. Percezione del segnale. Sequenza di trasduzione. Risposta

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1 gravità luce fotosintetica luce fotomorfogenica temperatura vento CO 2 fotoperiodo umidità erbivori Le piante rispondono continuamente ad una varietà di segnali sia interni che esterni La risposta finale dipende dall integrazione di vari tipi di segnale La risposta agli stimoli non è univoca Sequenza di eventi Percezione del segnale etilene Sequenza di trasduzione patogeni microrganismi suolo allelochimici parassiti qualità suolo elementi minerali stato idrico Risposta I target finali delle sequenze di trasduzione sono diversi

2 Integrazione tra sequenze di trasduzione di segnali diversi ed espressione genica Fattore ambientale Fattori ambientali Fattore ambientale Carattere risposta

3 Ruolo della luce negli organismi vegetali Fonte di energia Fotosintesi Segnale Fotomorfogenesi Fototropismo Fotoperiodismo

4 Una pianta cresciuta al buio è eziolata, filiforme e con ridotta dimensione fogliare luce buio Flash di luce relativamente debole fagiolo crescita eziolata e permanenza dell uncino apicale Entro poche ore inizia la sintesi dei pigmenti, diminuisce il tasso di crescita per distensione del fusto, inizia il raddrizzamento dell uncino

5 Piantina di mais cresciuta alla luce e al buio luce buio Per indurre questi cambiamenti la luce agisce come segnale Fotomorfogenesi

6 Solo la luce assorbita da una molecola è in grado di attivare una reazione fotochimica (1 a legge di Grotthus- Draper ) Diverse molecole (fotorecettori) sono in grado di promuovere risposte fotomorfogenetiche nelle piante Recettori luce blu Recettori luce rossa Recettori UV-A e -B

7 Luce blu Luce rossa criptocromi fototropine fitocromi fototropismi movimenti cloroplasti movimenti stomatici fotomorfogenesi

8 Il Fitocromo Germinazione semi di lattuga Gli effetti morfogenetici causati dalla luce rossa ( nm) possono essere soppressi da un irraggiamento successivo con luce rosso-lontano ( mm) Fotoreversibilità

9 IPOTESI I esistono due fotorecettori, uno che assorbe la luce rossa, l altro che assorbe la luce rosso-lontano, che agiscono in maniera antagonista IPOTESI II un unico fotorecettore esiste in due forme interconvertibili, una forma che assorbe la luce rossa, l altra che assorbe la luce rossalontano

10 Struttura chimica del fitocromo Il fitocromo è un pigmento proteico proteina (apoproteina) con massa molecolare di circa 125 KDa + cromoforo (fitocromobilina) tetrapirrolo a catena aperta Cromoforo del fitocromo La molecola del fitocromo è un dimero

11 Il fitocromo è presente nelle piante in due forme Pr e Pfr caratterizzate da un diverso spettro di assorbimento la forma Pr ha un A max a 666 nm (luce rossa o R) la forma Pfr ha un A max a 730 nm (luce rosso-lontano o FR)

12 In piante eziolate il fitocromo è presente nella forma Pr, la forma in cui è sintetizzato sintesi luce forma biologicamente attiva Risposte di sviluppo Degradazione Reversione al buio Pr e Pfr sono interconvertibili Fotoconversione del fitocromo Il cromoforo del fitocromo ha una diversa conformazione nelle forme Pr e Pfr

13 Assorbendo luce R o FR il cromoforo subisce una isomerizzazione cis-trans del doppio legame fra gli atomi di carbonio 15 e 16 Cromoforo:fitocromobilina induce un cambiamento nella conformazione della proteina pol lipeptide legame tioestere FR R Isomero cis la luce R converte cis in trans la luce FR converte trans in cis Isomero trans

14 Lo spettro di assorbimento delle due forme di fitocromo presenta una sovrapposizione nella regione del rosso Il rapporto quantitativo tra le due forme di fitocromo dipende quindi dallo spettro della radiazione Stato fotostazionario del fitocromo Pfr Pr + Pfr = Φ

15 Con luce rossa saturante Pr Pfr 15 % 85 % Pfr Stato fotostazionario = = 0.85 Pr + Pfr Con luce rosso-lontano saturante Pr Pfr 97 % 3 % Pfr Stato fotostazionario = = 0.03 Pr + Pfr

16 La luce solare eccita sia Pr che Pfr La luce del sole è costituita da un ampio spettro di lunghezze d onda Pr Pfr 45 % 55 % Pfr Stato fotostazionario = = 0.55 Pr + Pfr L equilibrio tra le due forme è dinamico il fitocromo compie cicli continui tra le forme Pr e Pfr

17 Oltre ad assorbire nella regione del rosso, entrambe le forme di fitocromo assorbono anche nella regione del blu assorbanza gli effetti mediati dal fitocromo possono anche essere stimolati dalla luce blu Le risposte alla luce blu dipendono anche dall azione di fotorecettori specifici per la luce blu e, spesso, dall interazione di questi ultimi con il fitocromo

18 Le piante hanno due tipi di fitocromo Tipo I labile alla luce Tipo II stabile alla luce La differenza tra i due tipi di fitocromo è dovuta interamente all apoproteina mentre il cromoforo è identico Piante eziolate Piante verdi Tipo I Tipo II

19 Il fitocromo è codificato da una famiglia di geni PHY In Arabidopsis sono stati identificati 5 geni di fitocromo PHYA PHYB PHYC PHYD PHYE I diversi fitocromi sono stati classificati come tipo I o II PHYA codifica il fitocromo di tipo I PHYB-E codificano fitocromi di tipo II Localizzazione del fitocromo nei tessuti Il fitocromo è diffuso in tutta la pianta, ma è particolarmente abbondante nelle cellule dei tessuti giovani e non differenziati

20 Il fitocromo è un recettore simile alle istidine-chinasi Il fitocromo è una proteina chinasi capace di autofosforilarsi e fosforilare altre proteine

21 Trasduzione del segnale L apoproteina si assembla con il cromoforo sintetizzato nel plastidio L apoproteina ha diversi domini funziomali Stabilizza P fr Dimerizzazione, interazione con altre proteine e localizzazione nucleare

22 Dopo attivazione da parte della luce R i domini di localizzazione nucleare (NLS) sono esposti Risposte rapide Gran parte di P fr migra nel nucleo Regola espressione geni

23 tpnb I PIF reprimono trascrizione geni risposta luce rossa. COP 1 avvia alla demolizione gli FTF Pfr entra nel nucleo, fosforila i PIF e ne attiva l ubiquitinazione. Pfr induce uscita dal nucleo di COP1

24 Risposte indotte dal fitocromo La varietà di risposte indotte del fitocromo nelle piante è enorme, in termini sia di tipo di risposta che di quantità e qualità della luce necessaria per indurle Le risposte mediate dal fitocromo possono essere classificate in diversi modi rapidi eventi biochimici lenti cambiamenti morfologici tempo richiesto dalla risposta quantità di luce richiesta tempo di fuga

25 Risposte in base al tempo richiesto dalla risposta o al tempo di fuga Tempo richiesto dalla risposta Risposte rapide periodo di ritardo (lag time) di pochi minuti (es. movimento organelli ) Risposte lente periodo di ritardo (lag time) di alcune settimane (es. fioritura)

26 Tempo di fuga dalla fotoreversibilità Le risposte indotte dalla luce R sono inibite da luce FR soltanto per un periodo di tempo limitato, dopodiché non sono più fotoreversibili Il tempo di fuga delle diverse risposte al fitocromo varia da meno di un minuto (es movimento organelli) fino a ore

27 Classificazione delle risposte mediate dal fitocromo sulla base della sensibilità alla fluenza fotonica VLFR risposte a fluenza fotonica bassissima reciprocità non-fotoreversibili LFR risposte a fluenza fotonica bassa reciprocità fotoreversibili HIR risposte ad alta irradianza proporzionale alla fluenza richiedono lungo irraggiamento non fotoreversibili no reciprocità

28 Nelle risposte VLF e LF, ma non nelle risposte HI, sussiste la relazione reciproca fra velocità di fluenza e tempo di irraggiamento Legge di reciprocità La stessa risposta può essere indotta da un breve impulso di luce rossa ad alta velocità di fluenza o da luce con bassa velocità di fluenza ma irraggiata per un tempo più lungo Le risposte VLF e LF sono induttive

29 Risposte VLF Risposte del fitocromo attivate da bassissime fluenze fotoniche Inizio risposta µmoli m -2 s -1 Saturazione 0.05 µmoli m -2 s -1 Esempi La luce rossa stimola la crescita del coleottile ed inibisce la crescita del mesocotile in piantine di avena cresciute al buio La germinazione dei semi di Arabidopsis stimolata dalla luce rossa

30 Le risposte VLF non sono fotoreversibili A queste fluenze fotoniche la luce rossa converte soltanto 0.02 % di fitocromo Pr in Pfr Con luce FR saturante Pr 97 % Pfr 3 % La quantità di fitocromo nella forma Pfr è sempre superiore a quella richiesta per indurre una risposta VLF

31 Risposte LF Questo gruppo di risposte del fitocromo comprende la maggior parte delle classiche risposte fotoreversibili R/FR Specie Inizio risposta 1 µmoli m -2 s -1 Saturazione 1000 µmoli m -2 s -1 Stadio di sviluppo Effetto luce R Lattuga Seme Promuove germinazine Avena Plantula (eziolata) Promuove de-eziolamento Senape Plantula Promuove formazione primordi foglie e produzione antocianine Pisello Pianta adulta Inibisce allungamento internodi Xanthium Pianta adulta Inibisce la fioritura

32 Lo spettro d azione di una tipica risposta LF Stimolazione/inibizione germinazione dei semi di Arabidopsis stimolo inibizione λ (nm) UV Spettro visibile

33 Risposte HI Le risposte HI richiedono esposizioni continue e prolungate ad una luce con una irradianza relativamente elevata Non sono fotoreversibili > 1000 µmoli m -2 s -1 Proporzionali all irradianza Esempi di risposte HI Sintesi di antocianine nelle plantule di diverse dicotiledoni Inibizione allungamento ipocotile di plantule di senape, petunia, etc. Induzione della fioritura in Hyoscyamus Apertura dell uncino della plantula di lattuga Distensione cotiledoni di senape Produzione di etilene in sorgo

34 Molte risposte LF vengono indotte anche da HI Produzione di antocianine in plantule di senape Trattamenti con luce R a plantule eziolate Plantule esposte a luce ad elevata irradianza Risposta fotoreversibile Tipica risposta LF Risposta proporzionale all irradianza Effetto non fotoreversibile Lo spettro d azione delle risposte HI è spesso molto diverso da quello delle risposte induttive

35 Il fitocromo è coinvolto nella regolazione di importanti processi delle piante cresciute nell ambiente naturale De-eziolamento plantule La risposta delle piante all ombreggiamento (shade avoidance) Germinazione semi I ritmi circadiani La fioritura

36 Controllo del de-eziolamento: una risposta HI Efficacia qu uantica relativa Inibizione dell allungamento dell ipocotile di plantule di lattuga eziolate Spettro d azione Attive nell inibire allungamento ipocotile Picco attività ipocotile λ Spettro visibile

37 Efficacia quantica relativa Attive nell inibire allungamento ipocotile ipocotile λ Spettro visibile non sono dovuti al fitocromo ma ad altri fotorecettori della luce blu

38 La risposta HI alla luce FR diminuisce quando le plantule sono esposte alla luce La mancanza di risposta al FR è fortemente correlata con la riduzione del pool di fitocromo di tipo I (sensibile alla luce) e ha uno spettro d azione diverso

39 La risposta HI: spettro d azione delle piante cresciute alla luce Inibizione dell allungamento dell ipocotile di plantule di senape ad alta irradianza Spettro d azione soltanto un picco nella regione del rosso ipocotile λ risposta non fotoreversibile

40 La risposta HI è mediata da fitocromi diversi In piante eziolate la risposta HI alla luce FR sono mediate dal fitocromo di tipo I (FR-HIR) In piante verdi le risposte HI alla luce R sono mediate dal fitocromo di tipo II (R-HIR)

41 phy A e phy B hanno azione opposta sull allungamento dell ipocotile phy A stimola phy B inibisce Luce R continua Luce FR continua Stimola deeziolamento Inibisce deeziolamento Inibisce deeziolamento Stimola deeziolamento fotoequilibrio stimola deeziolamento inibisce deeziolamento

42 La fuga dall ombra delle eliofite Nell ambiente naturale la densità di flusso fotonico e il rapporto R/FR variano sensibilmente Parametri ecologicamente importanti della luce I (µmoli m -2 s -1 ) R/FR Luce diurna Tramonto Luce luna Luce all interno della vegetazione Luce nel suolo (5 mm di profondità)

43 Il rapporto R/FR modifica anche il rapporto Pr/Pfr Con l aumentare dell ombreggiamento diminuiscono R/FR e Pfr/Pr Il fitocromo consente alla pianta di percepire il grado di ombreggiamento da parte di altre piante La percezione dell ombra induce risposte differenti nelle piante eliofile e sciafile

44 Piante eliofile aumentano la velocità di estensione dei fusti Piante sciafile nessuna variazione nella crescita dei fusti fuga dall ombra Eliofite Sciafite ombra sole

45 La risposta di fuga dall ombra delle eliofite riflette il diverso ruolo dei fitocromi tipo I e tipo II phy A stimola l allungamento dello stelo phy B inibisce l allungamento dello stelo

46 R FR R FR R FR Luce continua All aperto l allungamento dello stelo è inibito da phy B La crescita dello stelo inizialmente è controllata principalmente da phy A stimolo allungamento il controllo passa rapidamente a phy B si degrada

47 Percezione della luce e germinazione dei semi La qualità della luce svolge un ruolo importante nella regolazione della germinazione dei piccoli semi di specie erbacee (es. graminacee) Se sono collocati in profondità nel suolo o ombreggiati da altre piante (luce arricchita di FR) molti semi non germinano Alla luce Germinano rapidamente Risposta LF fotoreversibile sintesi di GAs Significato ecologico

48 Ruolo ecologico dei diversi fitocromi Il fitocromo di tipo I (PHI A) ha un ruolo minore Il fitocromo di tipo II (PHI B, C, D, E, F in Arabidopsis) Prima fase de-eziolamento Risposte HIR al buio Risposte VLF Ha un ruolo dominante nelle piante cresciute alla luce Risposte LF Spettro d azione con picco nel R Risposte HIR nelle piante cresciute alla luce