PROGRAMMA DEL CORSO di Fisiologia e Principi di Biotecnologie vegetali. Prof. Renato D Ovidio tel:

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1 PROGRAMMA DEL CORSO di Fisiologia e Principi di Biotecnologie vegetali Prof. Renato D Ovidio tel: dovidio@unitus.it

2 Scopo del corso Come funziona una pianta Come le biotecnologie possono contribuire a far funzionare meglio la pianta nell ambiente agrario Arabidopsis thaliana ~ bp ~ geni Pioppo ~ bp ~ geni Riso ~ 3.9 x 10 8 bp ~ geni Uomo: 3.3 x 10 9 bp ~ geni

3 1. Alcune peculiarità della cellula vegetale Parete cellulare Vacuolo plasmodesmi Vacuolo Parete cellulare: primaria, secondaria e lamella mediana Plasmodesmi

4 2. Come assorbe l acqua e i sali minerali? Caratteristiche dell acqua; Processi di trasporto dell acqua: diffusione, flusso di massa e osmosi; Potenziale idrico; componenti del potenziale idrico; Teoria della tensione-coesione e il ruolo primario della traspirazione; Stomi e regolazione stomatica; Traspirazione La nutrizione minerale; Movimento delle sostanze attraverso la membrana plasmatica: trasporto attivo e passivo; Proteine di trasporto: canali, carrier e pompe. Potenziale elettrochimico. Potenziale di membrana. Micorrize.

5 3. Come vengono prodotti e distribuiti i fotosintetati? Fotosintesi La natura luce; Spettro di assorbimento e spettro d azione; Reazioni alla luce e reazioni del carbonio. Piante C 3, C 4 e CAM. Il trasporto dei fotosintetati: definizione di sorgente e pozzo; caricamento e scaricamento del floema; ipotesi del flusso da pressione.

6 4. Come cresce e si sviluppa? Gli ormoni vegetali: auxine; gibberelline; citochinine; acido abscissico; etilene. Alcuni aspetti fisiologici delle attività ormonali. Fotorecettori: fitocromo e criptocromo. Ruolo del fitocromo nella germinazione dei semi, nella percezione dell ombra in piante eliofile, e nella fioritura (fotoperiodismo); vernalizzazione; fotomorfogenesi. Ruolo del criptocromo nell apertura stomatica e nel fototropismo

7 5. Come interagisce e si adatta all ambiente circostante? Gravità Cenni sui meccanismi di difesa della pianta agli stress biotici e abiotici. Luce fotosintetica Luce fotomorfogenica Temperatura Vento Fotoperiod o Umidità Erbivori Patogeni Microragnismi del suolo Parassiti Minerali tossici Qualità del H Composti suolo 2 Nutrien O allelopatici ti minerali

8 6. Come si può «migliorare»? Uso delle Biotecnologie vegetali Produzione di piante transgeniche e loro coltivazione. L ambiente agrario è un ambiente artificiale. Le piante coltivate sono organismi manipolati dall uomo per le proprie «necessità». Ciò si ottiene mediante l uso di tecniche convenzionali (Miglioramento genetico classico) o innovative (es. Biotecnologie- Trasformazione genetica) Metodi di trasformazione genetica (biolistico e Agrobacterium) Piante GM in commercio

9 Esercitazioni in aula: Esercizi per comprendere i concetti relativi al movimento dell acqua nella pianta Esercizi per comprendere il meccanismo della fotosintesi Esercizi sulla crescita e sviluppo della pianta Laboratorio: Estrazione dei pigmenti fotosintetici e determinazione del loro spettro di assorbimento Esperienza sul procedimento di trasformazione genetica e di de-differenziamento tissutale mediante ormoni

10 Materiale didattico Taiz L. e Zeiger E., Elementi di Fisiologia Vegetale Piccin Diapositive delle lezioni Dispensa del docente: Biotecnologie e Piante Geneticamente modificate

11 Modalità esame: Compito scritto con domande a risposta multipla (10) e descrittiva (16) Caratteristiche generali della pianta (1) Movimento acqua e i sali minerali (8) Fotosintesi (8) Crescita e sviluppo (6) Biotecnologie (3)

12 Universita' degli Studi della Tuscia Programma del corso di Fisiologia e Principi di Biotecnologie vegetali Prof. Renato D Ovidio dovidio@unitus.it Dipartimento di Scienze e Tecnologie per l'agricoltura, le Foreste, la Natura e l'energia (DAFNE) Argomenti delle lezioni 1. Caratteristiche generali della pianta: Parete cellulare: Composizione, struttura e funzioni. Plasmodesmi: Struttura e funzione. Vacuolo: struttura e funzioni Elementi di termodinamica. Energia libera di Gibbs. Potenziale elettrochimico. 2. Trasporto dell' acqua, dei soluti e dei fotosintetati: L'acqua e la pianta: importanza per la pianta; caratteristiche dell'acqua; Il movimento dell'acqua dal terreno all'atmosfera: diffusione, flusso di massa e osmosi; potenziale elettrochimico dell'acqua e potenziale idrico; Componenti del potenziale idrico. Comportamento osmotico delle cellule vegetali. Utilizzo del potenziale idrico e metodi sperimentali per la misurazione del potenziale idrico (camera a pressione). Il movimento dell'acqua nella pianta: Anatomia dello xilema; assorbimento radicale; pressione radicale; traspirazione; umidità relativa; stomi e regolazione stomatica. Teoria della tensione-coesione. Assorbimento dei soluti: membrana plasmatica; trasporto attivo e passivo; potenziale di Nerst (cenni); canali, carrier e pompe; canale K+ e carrier saccarosio-protoni. Il trasporto dei fotosintetati: anatomia del floema; caratteristiche del trasporto floematico; definizione dei tessuti sorgente e tessuti pozzo. Caricamento e scaricamento del floema; Ipotesi del flusso da pressione; Allocazione e ripartizione degli assimilati. 3. Metabolismo: Fotosintesi: reazioni alla luce e reazioni del carbonio. Biosintesi di amido e saccarosio. Fotorespirazione. Fotoinibizione. Sito di azione degli erbicidi diuron e paraquat Meccanismi di concentrazione della CO2: piante C4 e piante CAM. Rapporto di traspirazione. Metaboliti secondari: Cenni sulla biosintesi, ruolo fisiologico e applicazioni biotecnologiche. 4. Crescita, sviluppo e difesa: Importanza della luce come segnale ambientale; risposte della pianta regolate dalla luce blu e dalla luce rossa; spettro d'azione e spettro d'assorbimento; Scotomorfogenesi e fotomorfogenesi; caratteristiche del fitocromo; forme Pr e Pfr del fitocromo; funzione del fitocromo e ruolo nella percezione dell'ombra in piante eliofile; importanza del fitocromo nella germinazione dei semi; fotoperiodismo; piante longidiurne e brevidiurne; Importanza della lunghezza della notte nella risposta fotoperiodica; dimostrazione del coinvolgimento del fitocromo nella risposta fotoperiodica; vernalizzazione. Percezione del segnale sulle foglie. Gli ormoni vegetali: Che cos'è e come agisce un ormone vegetale; aspetti fisiologici delle attività ormonali: le molteplici risposte indotte dai diversi ormoni; auxine: trasporto polare dell'auxina; distensione cellulare e ipotesi della crescita acida della parete cellulare; fototropismo; gibberelline: induzione di -amilasi nella germinazione dei semi; Meccanismo di traduzione del segnale attivato dalle gibberelline durante la germinazione; accrescimento del fusto (distensione cellulare) ed effetto sulla parete cellulare; citochinine: stimolazione della divisione cellulare; acido abscissico: regolazione della chiusura degli stomi; etilene: regolazione della maturazione dei frutti. 5. Pianta e ambiente. Cenni sulla risposta della pianta agli stress biotici e abiotici. 6. Biotecnologie vegetali: Le biotecnologie vegetali: definizione e cenni storici. Importanza della conoscenza dei processi fisiologici per la manipolazione dei caratteri di interesse: Studio di caso: rallentamento del processo di ammorbidimento nelle bacche di pomodoro. Importanza delle biotecnologie per la Fisiologia vegetale: verifica in planta del ruolo svolto da specifiche componenti. Importanza della fisiologia vegetale e delle biotecnologie per il miglioramento delle piante coltivate. Passaggi essenziali per la produzione di piante transgeniche. Elementi essenziali di un costrutto genico (promotore, regione codificanti e terminatore) Laboratorio: -Estrazione dei pigmenti fotosintetici, analisi del loro spettro di assorbimento e loro frazionamento mediantecromatografia su strato sottile. -Colture cellulari e trasformazione genetica con il metodo biolistico Testi principali di riferimento: Taiz L. e Zeiger E., Elementi di Fisiologia Vegetale Piccin Diapositive delle lezioni Dispensa del docente: Biotecnologie e Piante Geneticamente modificate