assorbimento degli elementi necessari per il METABOLISMO

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1 NUTRIZIONE : assorbimento degli elementi necessari per il METABOLISMO Crescita Produzione di energia I nutrienti essenziali per le piante sono di natura inorganica Arnon e Stout (1939) hanno indicato 3 criteri per stabilire l essenzialità di un elemento: La sua mancanza rende impossibile completamento del ciclo vitale La carenza è specifica formazione di semi vitali L elemento è direttamente coinvolto nella nutrizione: - costituente di un metabolita essenziale - richiesto per il funzionamento di un sistema enzimatico

2 ELEMENTI ESSENZIALI PER LE PIANTE SUPERIORI Secondo Arnon e Stout Carbonio C Rame Cu Idrogeno H Zinco Zn Ossigeno O Molibdeno Mo Azoto N Boro B Fosforo P Sodio* Na Zolfo S Silicio * Si Potassio K Cobalto* Co Calcio Ca Cloro (1954) Cl Magnesio Mg Nichel (1987) Ni Ferro Fe Manganese Mn

3 Distinzione in MACRO e MICRONUTRIENTI in base alla richiesta quantitativa per il normale sviluppo della pianta MICRO NUTRIENTI MACRO NUTRIENTI Le piante possono contenere elevate concentrazioni di elementi non essenziali a volte tossici (Al, Ni, Se e F)

4 Divisione dal punto di vista funzionale : elementi che fanno parte della struttura di un composto importante (macronutrienti) elementi che svolgono il ruolo di attivatori di enzimi (micronutrienti) Tra le due funzioni non c è sempre una netta divisione ATP Clorofilla

5 Alcune specie hanno l esigenza di altri elementi essenziali Il SODIO (Na) è un elemento essenziale per: alcune alofite alcune non alofite con via fotosintetica C 4 richiedono il Na alle concentrazioni di un micronutriente piante CAM Amaranthaceae Chenopodiaceae Cyperaceae Queste piante in carenza di Na Scarsa crescita Sintomi di clorosi e necrosi Difficoltà nella produzione di fiori

6 L alofita Atriplex vescicaria a basse concentrazioni di Na diventa clorotica e necrotica, la crescita è ridotta nonostante l elevato contenuto di Potassio (K)

7 Nelle piante C4 il Na + migliora l efficienza fotosintetica, soprattutto a basse concentrazioni di CO 2 Nelle piante C3 non c è alcun effetto benefico dovuto al Na + sull efficienza fotosintetica.

8 C3 and C4 CELLULE MESOFILLICHE CELLULE DELLA GUAINA DEL FASCIO VASCOLARE

9 CELLULA MESOFILLO CELLULA GUAINA DEL FASCIO La carenza di Na sembra interferire sulla conversione da PIRUVATO a FOSFOENOLPIRUVATO

10 In carenza di Na : accumulo di piruvato e alanina diminuzione di PEP, malato e aspartato riduzione dell attività del PSII nei cloroplasti del mesofillo per alterazione dell ultrastruttura del cloroplasto : meccanismo non noto riduzione dell assorbimento del nitrato (NO 3- ) nelle radici riduzione dell assimilazione del nitrato (NO 3- ) nelle foglie: l attività della Nitrato Reduttasi è bassa nelle piante C 4 Na-carenti

11 Distinzione delle specie vegetali in 4 gruppi sulla base della diversa risposta al sodio in termini di crescita: GRUPPO A : il Na + può ampiamente sostituire il K + crescita addizionale dovuta al Na + Chenopodiaceae, erbe C4 GRUPPO B: una minore quantità di K + può essere sostituita minore risposta positiva al Na + Cavolo, cotone, grano, spinacio GRUPPO C: solo poco K + può essere sostituito il Na + non ha effetto specifico sulla crescita orzo, riso, pomodoro, patata GRUPPO D : non è possibile alcuna sostituzione del K + Mais, soia, fagiolo La classificazione non può essere intesa in senso stretto: differenze fra cultivars di una stessa specie

12 La differente risposta al Na è anche dipendente dall assorbimento e, in particolare, dalla TRASLOCAZIONE del Na alle foglie BARBABIETOLA FAGIOLO Fo glie Ra dici La Barbabietola: traslocazione rapida del Na alle foglie dove sostituisce ampiamente il K aumento della produzione di biomassa superiore a quella ottenuta in carenza di K e superiore a quella ottenuta con elevato apporto di K Il Fagiolo: limitata traslocazione del Na alle foglie Limitata crescita in carenza di K il Na non può sostituire il K

13 La capacità del Na di rimpiazzare il K dipende anche dall organo e dall età della pianta. In barbabietola: Capacità di sostituzione nelle foglie mature > rispetto alle foglie giovani Essenzialità del K nelle foglie in espansione: formazione di clorofilla ( barbabietola) induzione della nitrato reduttasi ( spinacio) traslazione mrna nei ribosomi ( grano) Le differenti strategie per regolare il trasporto di Na alle foglie sono alla base dei meccanismi di Tolleranza attuati dalle piante per resistere al sale Ad elevate concentrazioni di NaCl: Specie NATROFILE INCLUDERS ( elevata tolleranza ) notevole accumulo di Na nei vacuoli delle foglie Gruppo A Specie NATROFOBE EXCLUDERS ( bassa tolleranza) non riescono ad evitare la traslocazione alle foglie del Na Gruppo D inibizione del metabolismo e della crescita

14 Gli effetti positivi del Na sulla crescita, nelle piante natrofile, oltre alla capacità di sostituire positivamente il K sono da attribuire ai meccanismi di Espansione cellulare e influenza sul bilancio idrico: abbassamento del ψ nei vacuoli richiamo di H 2 O aumento della pressione di turgore e dell espansione cellulare Aumento dell area fogliare e del numero di stomi Foglie di Barbabietola mm 5.0 K + 0,25 K Na + La crescita maggiore non è conseguenza di maggiore efficienza fotosintetica: Il contenuto di clorofilla è più basso per cui la percentuale netta di fotosintesi, per unità di area fogliare, risulterà minore. Tuttavia la maggiore area fogliare aumento dell intercettazione della luce

15 Miglioramento del bilancio idrico nelle piante natrofile mediante regolazione stomatica. La regolazione stomatica interviene se il rifornimento idrico è limitato : rapida chiusura degli stomi nelle piante + Na rispetto a quelle con solo K più lenta riapertura degli stomi alla fine del periodo di stress Modulazione dell attività enzimatica La sostituzione del K con Na influenza l attività di alcuni Enzimi L amido sintasi (AS) è 4 volte più attivo con K che con Na: Nelle foglie in cui molto K è sostituito dal Na: bassa concentrazione di amido FOGLIE DI BARBABIETOLA ADP- Glucosio AS Amido elevata concentrazione di carboidrati solubili (saccarosio) è favorita l espansione cellulare nel tessuto fogliare

16 SILICIO (Si) Il Si è il II elemento + abbondante nella crosta terrestre L essenzialità del Si è stata dimostrata per poche specie vegetali, tuttavia risulta benefico per quasi tutte le piante superiori Nella soluzione del suolo la forma prevalente è l acido silicico Si (OH) 4 acido debole che interagisce nelle pareti cellulari con pectine e polifenoli formazione di complessi mono-, di- e polimeri di Si ad elevata stabilità e bassa solubilità La carenza di Si: nel riso nel pomodoro ritardo dell accrescimento e morte delle foglie più vecchie diminuzione del 50% della crescita e deformazione delle foglie nuove in soia accumulo eccessivo di P sintomi di tossicità da fosfati

17 RUOLO del Silicio nel metabolismo Aumento della resistenza e stabilità della pianta: - come deposito inerte nelle pareti cellulari lignificate - modulando la biosintesi della lignina. Il Si come materiale strutturale richiede meno energia della lignina: per 1 g di lignina servono 2 g di glucosio (rapporto 1:2) nella richiesta di energia il rapporto lignina: Si è 20:1 aumenta l elasticità della parete durante la crescita per estensione interazione del Si nella parete I aria con i costituenti polifenoli e pectine. Il Si diminuisce l incidenza di infezioni da parassiti e patogeni. 1. I cereali, in particolare, accumulano Si e lo impiegano nella formazione di una barriera fisica nelle cellule epidermiche contro la penetrazione di ife o insetti come afidi. 2. Esiste anche un meccanismo più dinamico di ridistribuzione del Si intorno al punto di penetrazione del patogeno che richiede un continuo rifornimento di Si dalle radici, in quanto dopo la deposizione e polimerizzazione nel tessuto fogliare il Si non può essere rimobilizzato. Connessione tra rifornimento di Si e accumulo di fenoli sui siti di infezione: il Si forma stabili complessi con i fenoli favorendo la mobilità e la sintesi dei fenoli nell apoplasto: deposizione rapida di fenoli e lignina nei siti di infezione. Impedimento all erbivoria: i silicati presenti in foglie e infiorescenze riducono il pascolamento di animali e insetti.

18 Il Silicio in fagiolo, previene o riduce la tossicità del Manganese stimolando la crescita della pianta L Effetto positivo è rilevabile solo ad elevate concentrazioni di Mn non consiste in una riduzione dell uptake del Mn in presenza di Si, ma interviene nella distribuzione del Mn nelle foglie con aumento della tolleranza del tessuto fogliare + Si distribuzione omogenea di Mn aumento tolleranza - Si distribuzione non omogenea di Mn zone di accumulo zone necrotiche e clorotiche

19 In molte piante la tossicità del Mn è caratterizzata da punti scuri sulle foglie mature che contengono Mn ossidato (MnO 2 ) e il colore scuro deriva da polifenoli ossidati. Nella stessa area si verifica inoltre un accumulo di callosio ed un aumento della concentrazione di Ca 2+ come segnale per la sintesi del callosio.

20 Nelle piante accumulatrici, il Si aumenta la tolleranza a eccessive concentrazioni di Mn e Ferro con un meccanismo che controlla il contenuto di tali elementi nelle foglie. Nel riso e altre specie di suoli paludosi, il Si aumenta il potere ossidante delle radici, aumentando il volume e la rigidità dell aerenchima aumento del trasporto di O 2 dalle foglie alle radici sommerse esposte a concentrazioni tossiche di Mn e Fe ridotto. INFEZIONE da parassiti nelle piante L interazione fra piante superiori e parassiti sono complesse e un ruolo importante svolgono la nutrizione minerale e l applicazione di fertilizzanti. La germinazione di spore fungine sulla superficie di foglie e radici è stimolata dalla presenza di essudati L entità del flusso di essudati e la composizione dipende dalla concentrazione cellulare : in carenza di K alterazione della sintesi proteica e elevata concentrazione di a.a e zuccheri nelle foglie La concentrazione di assimilati solubili nell apoplasto dell ospite è un fattore importante per la crescita del parassita durante le fasi di penetrazione e post-infezione.

21 Il Si diminuisce l incidenza di infezioni da parassiti e patogeni. 1.I cereali, in particolare, accumulano Si e lo impiegano nella formazione di una barriera fisica nelle cellule epidermiche contro la penetrazione di ife o insetti come afidi. 2.Esiste anche un meccanismo più dinamico di ridistribuzione del Si intorno al punto di penetrazione del patogeno che richiede un continuo rifornimento di Si dalle radici, in quanto dopo la deposizione e polimerizzazione nel tessuto fogliare il Si non può essere rimobilizzato. Connessione tra rifornimento di Si e accumulo di fenoli sui siti di infezione: il Si forma stabili complessi con i fenoli favorendo la mobilità e la sintesi dei fenoli nell apoplasto: deposizione rapida di fenoli e lignina nei siti di infezione.

22 Molti funghi e batteri invadono l apoplasto rilasciando enzimi pectolitici che dissolvono la lamella mediana. L attività di tali E. è inibita dal Ca 2+ correlazione fra Ca presente nei tessuti e resistenza agli attacchi microbici. Le cellule epidermiche di foglie e radici sono anche caratterizzate da composti fenolici e flavonoidi (con proprietà fungistatiche). I composti fenolici hanno un ruolo chiave nelle prime fasi di infezione, sia come fitoalessine che come precursori nella biosintesi di lignina e suberina.

23 In risposta all infezione del patogeno si ha spesso la produzione di radicali dell O 2 aumento della concentrazione di H 2 O 2 reazioni di ossidazione dei lipidi di membrana morte programmata delle cellule iniziazione della lignificazione delle pareti cellulari e danno al patogeno. Nei tessuti fogliari maturi, lignificazione e/o accumulo di Si nello strato cellulare epidermico barriera fisica alla penetrazione delle ife.

24 SELENIO Le specie vegetali differiscono grandemente nella capacità di assorbimento, accumulo e tolleranza di elevate concentrazioni di Se. La chimica del Se è comune allo S: Stati di ossidazione: -II ( selenide Se 2- ), - IV (selenite SeO 3 2- ) e Solfati e selenati competono per gli stessi siti di uptake sulla membrana radicale. Le specie accumulatrici di Se, concentrazioni interne di Se = mg/g s.s. senza diminuzione della crescita Nel genere Astragalus, la stimolazione della crescita era dovuta alla riduzione ad opera del selenato degli effetti tossici del fosfato che si accumulava nelle foglie. - VI (selenato SeO 4 2- ). A livelli non tossici di P, il Se non esercitava alcun effetto positivo sulla crescita della pianta. Nelle specie accumulatrici, gli alti contenuti di Se proteggono la pianta dall attacco di insetti e erbivoria. Tali piante sono in grado di provocare nel bestiame malattie mortali da avvelenamento.

25 Le notevoli differenze riscontrabili fra le varie specie vegetali nella tolleranza al Se sono correlabili alla capacità di detossificazione il Se compete per vari enzimi coinvolti nel ciclo di assimilazione dello S: l ATP sulfurilasi + Se selenocisteina e selenometionina Nelle piante non accumulatrici, i seleno-amminoacidi vengono incorporati nelle proteine che risultano poco o non funzionanti: Situazione critica per enzimi che presentano un gruppo -SH come sito catalitico. In tali specie la capacità di limitare l uptake di Se risulta la strategia utile per aumentare la tolleranza. Nelle piante accumulatrici, la selenocisteina diviene un a.a. non proteico, la selenometilcisteina. Somiglianza fra Se e S anche per la produzione di composti volatili in alcune specie, rilasciati dalle parti aeree della pianta. Il principale composto è il dimetilselenide, il cui precursore è la selenometionina.

26 CATIONI DIVALENTI: Zn ++, Mn ++ Cu ++, in particolare Fe ++ sono relativamente insolubili a ph > 5, cioè in quasi tutti i suoli agrari. Le carenze di Fe sono molto diffuse: il Fe 3+ è molto più abbondante ma meno solubile e meno assorbito dalle radici delle piante. Nei terreni aerati Fe 2+ ossidazione Fe 3+ Fe OH - Fe (OH) 3 formazione di ossidi idrati insolubili Forma ferrica ossidata Fe 2 O 3 (ruggine dà colorazione bruna) Questi micronutrienti devono essere tenuti in soluzione da agenti leganti o chelanti Nei suoli calcarei, ricchi di Ca ++ e con ph > 7, più del 90% dei cationi metallici sono chelati con agenti leganti di origine microbica.

27 2 principali tipi di leganti formano chelati con il Fe: 1. chelanti sintetizzati dai microrganismi del suolo 2. chelanti sintetizzati dalle radici e secreti nella rizosfera. Nelle piante vengono attuate due differenti strategie per l acquisizione del Fe: strategia I: secrezione di potenti leganti organici (ac. caffeico) specifici per il Fe 3+ Sulla superficie della radice : Fe 3+ Fe 2+ Fe 2+ si stacca dal legante e viene subito assorbito strategia II: produzione e secrezione di siderofori: leganti e trasportatori del Fe 3+ attraverso la membrana plasmatica.

28 STRATEGIA I attuata da dicotiledoni e monocotiledoni non graminacee 3 diverse risposte: 1) Aumento della capacità reduttasica dell E. Riduttasi, legato alla membrana della cellula radicale. 2 distinte Reduttasi (Rd): 1 costitutiva a bassa capacità e un altra Rd, indotta dalla Fe-carenza e con elevata capacità di riduzione Fe 3+ Fe 2+ 2) Aumento dell efflusso netto di H +. In Fe-carenza, la pompa redox transmembrana aumenta l escrezione di protoni H + diminuzione del ph stimolazione dell attività della Rd 3) Rilascio di composti chelanti (anione citrato) Formazione del complesso Fe 3+ -citrato e successiva riduzione del complesso Fe 3+ -citrato sulla superficie del plasmalemma ad opera dell enzima Rd Assorbimento del Fe 2+ ridotto attraverso uno specifico canale Restituzione alla soluzione del suolo dell anione citrato

29 STRATEGIA II attuata solo dalle graminacee e in particolare dai cereali La Fe-carenza induce il rilascio di fitosiderofori (FS) leganti specifici per il Fe, tramite esocitosi o mediante canali anionici Contemporaneo bilanciamento delle cariche per liberazione di ioni K + Mobilizzazione nella rizosfera di Fe 3+ ( Zn 2+, Mn 2+, Cu 2+ ): Formazione complesso Fe 3+ - Sideroforo

30 Un sistema costitutivo di trasporto, altamente specifico, presente sulla membrana plasmatica, trasporta all interno il complesso Fe 3+ -FS Assorbimento di micronutrienti mobilizzati dai FS dopo liberazione dai chelati (6) Scambio di leganti nella rizosfera fra FS e siderofori (SID) microbici (M) Il Fe 3+ Fe 2+ all interno i cationi bivalenti sono mantenuti in soluzione nel succo citoplasmatico mediante formazione di chelati con leganti cellulari: anioni di Ac organici (ac. Citrico, malico) Il FS viene poi degradato o riemesso all esterno per catturare altro Fe 3+ I siderofori: ac. mugineico, ac. avenico legano il Fe 3+ mediante gli atomi di O e di N