Stress abiotici Stress ambientale: condizione di crescita sfavorevole al normale funzionamento della pianta
Various abiotic stress signals for plants 1. Cold (chilling and frost) 2. Heat (high temperature) 3. Salinity (salt) 4. Drought (water deficit condition) 5. Excess water (flooding) 6. Radiations (high intensity of ultra-violet and visible light) 7. Chemicals and pollutants (heavy metals, pesticides, and aerosols) 8. Oxidative stress (reactive oxygen species, ozone) 9. Wind (sand and dust particles in wind) 10. Nutrient deprivation in soil
Come reagiscono le piante in condizioni di stress?? Le piante rispondono allo stress attraverso una molteplicità di meccanismi.
Evitare: riduzione dell attività metabolica durante lo stress (fino ad uno stato dormiente) per non subirlo (piante effimere) Tollerare: mantenere alta l attività metabolica anche durante lo stress moderato e ridurla durante lo stress severo NB: genotipi differenti hanno la capacità di sopravvivere a stress di diversa entità
La Resistenza allo stress può essere basata su Adattamento: miglioramenti evolutivi di una popolazione, ha una base genetica ed è su lunga scala temporale. Acclimatazione: risposta di singoli individui alle condizioni avverse, cambi abbastanza rapidi nella fisiologia e nella biochimica del singolo che lo proteggono anche da stress più severi. Soprattutto fenotipica.
La risposta allo stress, con cambiamenti metabolici e nello sviluppo, parte dal momento in cui la pianta riconosce l esistenza dello stress a livello cellulare.
STRESS IDRICO In generale, si intende una condizione di crescita nella quale la disponibilità di acqua non è ottimale Stress idrico indotto da siccità Stress idrico indotto dalla salinità Stress idrico indotto da allagamento Stress idrico da congelamento
Potenziale idrico Ψ w = Ψ s + Ψ p + Ψ g + Ψ m Ψ s = Potenziale di soluto Ψ p = Potenziale di pressione Ψ g = Potenziale gravitazionale Ψ m = Potenziale di matrice Potenziale idrico semplificato Ψ w = Ψ s + Ψ p Ψ w esterno > Ψ w interno Ψ w esterno < Ψ w interno H 2 0 H 2 0
Danni alle cellule - MEMBRANE: transizione di fase, dislocazione proteine di membrana, perdita di soluti, alterazione attività enzimi di membrana, rottura compartimenti subcellulari - PROTEINE cellulari denaturate, perdita capacità metabolica - alterazione concentrazione dei vari soluti - inibizione fotosintesi Molti danni si manifestano ancora più gravemente in fase di ritorno dell acqua con gravi rotture alle membrane e perdita di soluti
Effetto della diminuzione del Potenziale idrico sulla fisiologia della pianta
Tre scenari 1) Piante che evitano la disidratazione per anatomia, morfologia, annualità, clima. 2) Piante che evitano la disidratazione moderata con strumenti metabolici (aggiustamento osmotico, espressione di geni). 3) Piante che tollerano la completa disidratazione (Resurrection plant) grazie anche al riparo dei danni e a meccanismi protettivi.
- PERFETTA IDRATAZIONE, STOMI APERTI - INIZIA LA PERDITA DI ACQUA (L UPTAKE NON CONTROBILANCIA LA PERDITA VIA TRASPIRAZIONE) STOMI SI CHIUDONO (RIDUZIONE FOTOSINTETESI) - DISIDRATAZIONE PROLUNGATA: GLI STOMI SONO CHIUSI, LA TRASPIRAZIONE AVVIENE SOLO A LIVELLO DELL EPIDERMIDE, PERDITA DI TURGORE FINO ALLA SENESCENZA. RIPOSTE FISIOLOGICHE, MORFOLOGICHE: Le palme sono capaci di evitare la disidratazione - LIMITAZIONE AREA DI TRASPIRAZIONE E TENTATIVI DI DISSIPARE ENERGIA TERMICA (PERDITA O SPOSTAMENTO FOGLIE), - CRESCITA APPARATO RADICALE VERSO ZONE UMIDE (PLASTICITÀ APPARATO RADICALE), - CHIUSURA STOMI MEDIATA DA ABA.
RISPOSTE BIOCHIMICHE: aggiustamento osmotico RISPOSTE MOLECOLARI: espressione genica, sintesi ed accumulo proteine AGGIUSTAMENTO OSMOTICO AGGIUSTAMENTO OSMOTICO: abbassamento del potenziale idrico cellulare grazie ad un accumulo netto di soluti nel citosol come risposta alla perdita di acqua. Tale meccanismo interviene a livello di Ψ s (l aumentare delle [soluti] cellulari abbassa il valore del potenziale di soluto, Ψ w è influenzato negativamente. Molti organismi anche non vegetali rispondono con un accumulo netto di nuovi soluti definiti compatibili.
Si chiamano soluti compatibili perché non interferiscono con le strutture e le funzioni cellulari. Sono piccole molecole capaci di stabilizzare proteine e membrane. Hanno anche altre funzioni come la protezione verso radicali di ossigeno, controllo del ph, riserva di energia. Soluti principali: prolina, mannitolo, glicina betaina, (trealosio in lievito). Sono attivati anche dopo altri stress (salinità, freddo).
I gusci di idratazione delle macromolecole non sono distrutti dai soluti compatibili. In figura è disegnata una proteina con un guscio di idratazione cioè circondata da molecole di H 2 O disposte in modo ordinato. Ioni come Na + e Cl - possono penetrare in questi gusci e interferire con le interazioni non covalenti che mantengono la struttura della proteina. A differenza degli ioni, i soluti compatibili (come la prolina e la glicina betaina) non penetrano nei gusci di idratazione, cosicché la proteina e il soluto non vengono a contatto diretto.
Ingegneria genetica: La capacità di accumulare soluti compatibili ha una base genetica, è genotipo dipendente. Sono noti numerosi geni responsabili della via biosintetica di tali composti. La loro sovraespressione in piante transgeniche aumenta la resistenza a stress idrici e salini. Es. Aradidopsis e Tabacco non accumulano mannitolo per cui lavorando col mannitolo si aumenta la resistenza.
RISPOSTE MOLECOLARI: espressione genica, sintesi ed accumulo proteine Proteine Lea (Late Embryogenesis Abundant) Famiglia di geni specificamente attivati dalla disidratazione moderata, codificanti per diversi tipi di proteine non necessariamente enzimatiche. I geni sono attivati rapidamente ad alti livelli, scoperti inizialmente nei semi in disidratazione, da cui il nome. Nelle piante che evitano la disidratazione moderata questi geni vengono attivati anche nei tessuti vegetativi. Sono proteine molto idrofile, ricche in aminoacidi quali alanina e glicina, prive di cisteina e triptofano, spesso citosoliche, hanno strutture ripetute, divise in 5 gruppi. Funzioni poco chiare: sostituirsi all acqua, sequestro ioni, protezione proteine, stabilizzazione citosol.
In base a come vengono comunemente descritte sono raggruppate in 5 famiglie distinte: Gruppo 1, 2, 3, 4, 5. Famiglia di proteine eterogena con funzioni ancora non chiare Funzioni putative: 1) Funzione strutturale 2) Controllo omeostasi 3) Protezione della denaturazione proteica
Alcuni transgeni conferiscono un miglioramento della tolleranza allo stress La sovraespressione in riso di HVA1, proteina di orzo appartenente al Gruppo3 delle proteine LEA ha apportato risultati positivi nei confronti dello stress idrico (salino e siccità). Aumento di resistenza sia in piante giovani che mature Cellule di lievito esprimenti le proteine Em (Gruppo1) o LE25 (Gruppo5) hanno mostrato una maggiore resistenza alla salinità. Tali proteine presentano efficacia diversa in presenza di differenti stress abiotici: Em migliore crescita anche in presenza di KCl e sorbitolo LE25 utile nella risposta al congelamento
Ruolo degli ormoni Le risposte che si osservano a seguito dello stress idrico sono regolate, almeno in parte, dall acido abscissico, l ormone chiave nelle riposte agli stress. Il suo livello aumenta dopo lo stress Se applicato da solo mima le risposte osservate dopo stress Stimola induzione espressione genica Stimola sintesi proteine Lea Stimola chiusura degli stomi
Esistono poi le piante che riescono a tollerare una severa disidratazione, che non la evitano ma la sopportano senza troppi danni: Resurrection Plant Craterostigma plantagineum Tortula ruralis (Selaginella lepidophylla)
La tolleranza verso la completa disidratazione è: - Diffusa tra batteri e funghi - Tipica di alcuni invertebrati - Diffusa tra muschi e licheni - Tipica dei semi e dei granuli pollinici delle piante vascolari Molto rara nei tessuti vegetativi (100 specie note) Si manifesta come: - capacità di riparare velocemente i danni durante la reidratazione (Tortula ruralis) - protezione contri i danni messa in atto durante la perdita di acqua (Craterostigma plantagineum)
Queste Strategie di difesa si basano su tre punti fondamentali: Limitare I danni della disidratazione Mantenere una condizione fisiologica anche in ambienti secchi Riparazione dei danni indotti dalla reidratazione
RAPID WATER LOSS: piante non vascolari Constitutive Cellular Protection Hormone? Induction of Recovery and Repair Mechanisms Hydrated Disidratazione: poche modificazioni biochimiche e molecolari Dry Reidratazione: traduzione selettiva di un gruppo di mrna per proteine di riparo (no Lea) Rehydrated
SLOW WATER LOSS: piante vascolari Induction of Cellular Protection ABA Hydrated Re-establishment Processes Disidratazione: accumulo soluti compatibili, ABA, Proteine Lea. Proteggono contro i danni Dry Rehydrated Reidratazione: ripresa attività biochimiche e fisiologiche.
Stress da temperatura Freddo Ogni pianta ha il suo optimum di temperatura, valori che sono ottimali per alcune sono stressanti per altre. Molte specie di interesse agronomico originarie di zone calde subiscono danni se esposte a temperature fredde, ma non sotto zero (mais, soia, cotone, pomodoro, banana). Già 10-15 C al di sotto dei valori ottimali inducono segni di stress come clorosi, blocco crescita, appassimento fino alla morte. 48-72 ore di stress possono essere sufficienti. Il punto debole cellulare è di nuovo rappresentato dalle membrane, un abbassamento della temperatura influenza la fluidità delle membrane.
La fluidità delle membrane biologiche è data dal contenuto in acidi grassi insaturi, con doppi legami che essendo non lineari rimangono fluidi anche a temperature inferiori rispetto agli acidi grassi saturi. Piante tipicamente più resistenti al freddo hanno una maggiore composizione in lipidi insaturi così che le membrane restano fluide anche a temperature inferiori alla media.
Questo rapporto saturi/insaturi può essere modulato grazie ad alterazioni nei profili biosintetici dei lipidi (desaturasi) in modo da formare più grassi insaturi Piante di colza posizionate a 4 C per durate differenti mostrano membrane con profili di acidi grassi differenti
25 C 16 C An endoplasmic reticulum-localized tomato omega-3 fatty acid desaturase gene (LeFAD3) was overexpressed in transgenic plants. Level of linolenic acids (18:3) increased and correspondingly level of linoleic acid (18:2) decreased in leaves and roots. After chilling stress,the fresh weight of the aerial parts of transgenic plants was higher than that of the wild type (WT) plants. APPROCCI BIOTECNOLOGICI 25 C 40 C An endoplasmic reticulum-localized tomato ω-3 fatty acid desaturase gene (LeFAD3) was isolated. The antisense tomato plants were obtained under the control of the cauliflower mosaic virus 35S promoter. Levels of 18:3 decreased and correspondingly levels of 18:2 increased in total lipids of leaves and roots. After heat stress, the fresh weight of the aerial parts of antisense transgenic plants was higher than that of the wild type (WT) plants.
Stress da congelamento Periodi a temperatura fredda sono poi indispensabili per consentire alle piante di acclimatarsi a temperature ancora più basse (sotto 0 C) senza subire stress da congelamento. Il congelamento dell acqua è deleterio a più riprese: prima si formano cristalli di ghiaccio nell apoplasto (dove ci sono meno soluti). L acqua tende ad uscire dalla cellula stress idrico e si forma più ghiaccio nell apoplasto danni a pareti e membrane se il congelamento prosegue si formano cristalli anche dentro la cellula con gravi danni alle membrane. Soprattutto se il congelamento è lento (cristalli di maggiori dimensioni).
L acclimatazione al freddo permette alle piante di tollerare temperature ben al di sotto dello zero (-40 C). Arabidopsis 1-5 giorni a 1-5 C sopravvive se portata a -12 C Punti deboli: membrane, proteine, strutture cellulari. Fenomeni molecolari: stabilizzazione membrane, accumulo soluti compatibili e proteine antifreeze.