Progetto cofinanziato dal programma LIFE+

Aspetti fisiologici della i t d ll i t lirisposta delle piante agli

stress abioticiProf. Stefania De Pascale

Dip. Ingegneria agraria e Agronomia del territorioUniversità di Napoli Federico II

Fenomeni ambientali estremi creano condizioni di stress per le piante con un significativo impatto sulla loro fisiologia,

sviluppo e sopravvivenza.

Le alterazioni provocate da condizioni di stress sono utili per comprendere

meglio la fisiologia e la biochimica delle pi ntpiante.

Comprendere le risposte allo stress èessenziale:•per individuare metodologie e tecnicheper mitigare l’effetto degli stress sullacrescita e la produzionecrescita e la produzione.•per selezionare cultivar stress-resistenti (siccità, salinità ed altrecondizioni che limitano la produzione).

COS’È LO STRESS?

Dalla terminologia fisica gStress (fattore di stress)

deformazione (effetto di stress)

Una definizione di stress biologico è:Una definizione di stress biologico è:

Una forza o influenza che tende a “modificare” il normale sistema di

f i d ll ifunzionamento della pianta

Anche se c’è il problema di definire oggettivamente cosa sia “normale”oggettivamente cosa sia normale (variabile con specie e cultivar).

Risposta organismi viventi a parametrip g pambientali Curva dose-effetto

OPTIMUM?

Definizione di stress

Stress: “Una pressione opprimente

In Biologia:

p ppdi alcune forze avverse che tendead inibire il normale funzionamentodi un sistema biologico”

In Agricoltura:

Stress: Una qualunque pressioneambientale in grado di ridurre laambientale in grado di ridurre lapotenziale produttività di una coltura

Gli stress ambientali rappresentanoGli stress ambientali rappresentano il principale fattore limitante per la

produttività agricola

RISPOSTE DELLE PIANTE ALLORISPOSTE DELLE PIANTE ALLO STRESS

Le piante possono rispondere allo stress in p p pvari modi.

Possono fuggire dagli effetti dello stress completando la loro crescita nei periodi meno

stressanti.Al i ifi h l i iAlternativamente specifiche alterazioni

metaboliche possono rendere la pianta capace di evitare o tollerare lo stress.

1) Stress escape 2) Stress avoidance

Sia con l’adattamento che con l’acclimatazione si tti n t ll n ll st ss;

1) Stress escape 2) Stress avoidance3) Stress tolerance

ottiene tolleranza allo stress;l’adattamento si riferisce a modificazioni

ereditabili, mentre quelle dell’acclimatazione non lo sono.

Hardening: lento processo di acclimatazione

Stress e ProduzioneStress e Produzione

• Significato economico dei• Significato economico dei fattori di stress abiotico in agricoltura:– Produttività e Stabilità della

produzione potenzialegenetico Adattamentogambientale Conoscenza dei meccanismi d’azione dei fattori che generano stress e delle reazioni metaboliche delle piante.

Molte colture non superano mediamente il 20% del potenziale

produttivo

*kg ha-1

Gli stress ambientali causano circa il 70% delle riduzioni del

lt

kg ha

raccolto

TIPI DI STRESS ABIOTICI

IDRICO

Carenza di acqua (DROUGHT)

Eccesso di acqua (FLOODING)

TERMICO

q (F )

Alte temperature (HEAT)

(CHILLING)Basse temperature

(CHILLING)

(FREEZING)

SALINO

MINERALECarenze nutrizionali (DEFICIENCY)

Eccessiva salinità (SALINITY)

MINERALEElementi tossici (TOXICITY)

Parte epigea (BRUSHING)MECCANICO

p g

Parte ipogea (RESTRICTION)

STRESS• A seconda della situazione ambientale in cui la• A seconda della situazione ambientale in cui la

pianta si trova, i fattori che determinano lo

stress possono essere diversi e agire

separatamente o in combinazione tra loro (es.

deserto = calore + siccità + eccesso di

radiazioni).

Esistono stress definiti primari,secondari o, addirittura terziari

dStress idrici

Gli stress idrici possono presentarsiG str ss r c possono pr s ntarso con un eccesso d’acqua o con una

mancanza; questi ultimi i più comuni.

Principio di base:Principio di base: il potenziale idrico ( )

Il potenziale idrico è lo stato penergetico dell'acqua in un

determinato sistema.Esso aumenta all'aumentare della

pressione e della temperaturapressione e della temperatura (considerati normalmente costanti) e

diminuisce con l'aumentare della concentrazione di soluti o con

l'aumento di fenomeni di adsorbimento.

• Molte specie di angiosperme annualip g ppossono resistere a condizioniambientali decisamente sfavorevoli(es. prolungata siccità)sopravvivendo allo stato di semisopravvivendo allo stato di semi…

• Piante (xerofite) tollerano la siccitàl d f devolvendo meccanismi specifici di

resistenza basati sull’adattamento (es.piante grasse) riduzione delleperdite di acqua riducendo la velocitàperdite di acqua riducendo la velocitàdi traspirazione modificazionimorfologiche della foglia (spine) e/oalterazioni fisiologiche del

t b li ( li t i d tmetabolismo (aprono gli stomi durantela notte)

• Alcune specie rimangono vitali nonostante la

d d’ d lperdita d’acqua dalprotoplasmacellulare (es. organi vegetativi dellevegetativi delle “Resurrectionplants”)

C t ti l t iCraterostigma plantagineum

Crassulacean acid metabolism (CAM)

• Efficienza fisiologica dei meccanismifotosintetici (piante C3 e C4)

• Water Use Efficiency e meccanismiWater Use Efficiency e meccanismifotosintetici (piante C3 e C4)

LO STRESS IDRICO

L id i i i i d l d d diLo stress idrico inizia quando la domanda diacqua da parte della pianta supera ladisponibilità nel suolo

La disponibilità di acqua dipende dalla forzaLa disponibilità di acqua dipende dalla forzacon cui questa è trattenuta nel suolo

L’acqua nel suolo può essere classificata in 3categorie:g

Acqua gravitazionale (percola rapidamente pergravità)

Acqua disponibile (è trattenuta nel suolo dallef ill i ò t tt d ll di i)forze capillarie può essere estratta dalle radici)

Acqua non disponibile (è trattenuta dalle particelledel suolo così fortemente che non può essereestratta dalle radici della pianta)

Classificazione schematica dell’acqua nel terreno

Potenziali idrici• Il potenziale idrico è il lavoro necessarioIl potenziale idrico è il lavoro necessario

per rimuovere una massa unitaria di acquapura alla stessa altezza gravimetrica esenza variazioni di temperatura.

• Esso viene indicato con il simbolo consegno negativo ed espresso in termini disegno negativo ed espresso in termini diunità di potenziale (erg/g; J/kg) o di unitàdi pressione (Pa; bar; atm)

• Le principali componenti del potenzialedell'acqua nel terreno sono:dell acqua nel terreno sono:– potenziale matriciale dovuto

all'attrazione delle molecole d'acquaper i costituenti solidi del terreno ( m);

– potenziale gravitazionale derivante dallaposizione dell'acqua rispetto ad un pianoposizione dell acqua rispetto ad un pianodi riferimento ( g);

– potenziale osmotico dipendente dallaconcentrazione della soluzionecircolante del terreno ( o);

t i l di i i i t d ll– potenziale di pressione originato dalladifferenza di pressione dell'ariarispetto alla pressione atmosferica( pa).

Umidità del terreno in funzione d ll f ddella forza di ritenzione

Relazione tra contenuto idrico e potenziale del suolo

Acqua disponibile in terreni di di t itdi diversa tessitura

Il potenziale idrico delle piante

Il potenziale idrico totale ( t) indica l’energiadell’acqua all’interno dei tessuti

potenziale osmotico ( ) che indica il

Le componenti del potenziale totale sono:

dell acqua all interno dei tessuti.

ppotenziale dei succhi cellulari

potenziale (pressione) di turgore ( p) cheindica la pressione idrostatica all’internodelle celluledelle cellule

L'equazione fondamentale che lega il potenzialeidrico t al potenziale osmotico (sempre

ti l l i i) ll di inegativo per le soluzioni) e a quello di pressione(legato alla pressione di turgore) p è:

t = + p

Il diagramma di Höfler illustra le l zi ni t l c mp n nti d lrelazioni tra le componenti del

potenziale idrico

Pressione di turgore

Potenziale totale

Potenziale osmotico

Funzioni dell’acqua nella pianta

CostituenteL’acqua costituisce l’80-90%del peso fresco delle pianteE’ una componente importantedel protoplasma e delle

Solvente

del protoplasma e delleproteine e dei lipidi

E’ il solvente in cui gas, minerali ealtri soluti entrano nelle cellule ealtri soluti entrano nelle cellule esi muovono tra gli organi

Funziona da reagente o substratoReagente

Funziona da reagente o substratoin molte importanti processi comefotosintesi, idrolisi dell’amido ecc.

Mantenimento del turgoreIl mantenimento del turgore è essenziale perla distensione cellulare e la crescita. Inoltreconsente il movimento degli stomi delleconsente il movimento degli stomi, dellefoglie, dei petali ecc.

La disponibilità di acqua regola la fotosintesie la crescita delle piante

Relazione tra potenziale idrico fogliareRelazione tra potenziale idrico fogliare,allungamento delle foglie e fotosintesi nel mais

Perché si misura il potenziale idrico delle piante?

D i i d lAgricoltura Determinazione del momentoadatto per l’irrigazione

Geneticaagraria

Selezione di popolazioni dipiante resistenti agli stress

AgronomiaStudio degli effetti dello stress sulla crescita e sul

lt

Fisiologial

raccolto

Studio della risposta agli stress dal punto di vistavegetale stress dal punto di vista “funzionale”

La misura del potenziale idrico delle piante

Potenziale totale ( t)Camera a pressione

La pressione spinge l’acqua xilematica ad uscirexilematica ad uscire

Psicrometro a termocoppia

Potenziale totale ( t)

(Richards-Ogata)

Potenziale osmotico ( )•Psicrometro a termocoppia (congelamento/scongelamento)

•Osmometro a punto di congelamentop g

Potenziale di turgore ( p)

( t) ( )( t) - ( )

Contenuto Idrico Relativo (Relative Water Content(Relative Water Content,

RWC)

( FW - DW) x 100RWC =

FW TW DW

( )(TW - DW)

x 100RWC =

Bilancio idrico

• Le piante assorbono acqua dal suolo in faseliquida per effetto di gradienti di potenzialeliquida per effetto di gradienti di potenzialeche vengono a stabilirsi tra suolo e radici e traradici e foglie e perdono acqua dalle fogliesotto forma di vapore in conseguenza delladifferente tensione di vapore esistentenell'atmosfera e nel mesofillo fogliarenell atmosfera e nel mesofillo fogliare.

• Se l'intensità di traspirazione eccedel'assorbimento radicale deficit idricoriduzione accrescimento minori rese.

La traspirazione fogliare

L’apparato stomatico

La misura della conducibilità ( i t ) t ti(resistenza) stomatica

Leaf Porometer (AP4 T Devices)

Isolamento di mutanti stomatici con termometriastomatici con termometria

ad infrarossi

27 1 ºC

29ºC

30ºC30ºC

31ºC

Le piante rispondono alla carenza idrica con la chiusura degli stomi,

per limitare la traspirazione e quindi la perdita d’acqua.

Chiusura idropassiva: le superfici delle cellule di guardia non sono protette da cuticola facileprotette da cuticola facile

perdita d’acqua perdonoturgore e chiudono gli stomi.

Chiusura idroattiva: è indotta da una riduzione del potenziale d ll’ ll ll l d ldell’acqua nelle cellule del

mesofillo coinvolge ABA e altri ormoni.

Regolazione ormonale durante lo stress idrico

L’acido abscissico (ABA) regola i movimenti stomatici e quindi la

traspirazione

Lo stress idrico causa l’aumento della sintesi di ABA che, a sua volta, induce

l hi i li i d lla chiusura stomatica, limitando latraspirazione fogliare

Leaf diffusion resistance (LDR), relative water content (RWC) and abscisc acid (ABA)

levels in detached bean leaves

Gli stomi rispondono direttamente alla concentrazione di ABA nelle cellule

guardia

La concentrazione di ABA nella linfa xylematica è correlata con laxylematica è correlata con la

conduttanza stomatica

Relazione tra [ABA] xilematico e traspirazione in piante di mais.

La capacità di sintetizzare ABA è importante nella risposta allo stress idrico, come

dimostrano mutanti “wilty”, con ridotti livelli di yABA

Wild typeyp

Mutante

Contenuto idrico relativo (RWC), conduttanza stomatica e livelli di ABA in foglie recise di

girasole

La ridotta capacità di sintetizzare ABA impedisce al mutante “wilty” W-1 di

controllare la traspirazione

W-1 Wild type

“ROOT-SHOOT COMMUNICATION”

Increase in soil water tension

Sensing by roots

Synthesis of ABA in the rootsSynthesis of ABA in the roots

Delivering ABA via xylem

Increase in leaf ABA

Stomatal closure

R d ti f t b lReduction of water unbalance

Riduzione della crescita vegetativa. G li f li

Effetti del deficit idrico

Germogli e foglie sonogeneralmente più sensibili delle

radici.

Ridotta espansione delle foglie minore traspirazione

Senescenza ed abscissione delle foglie più vecchie

Incremento del rapporto radice/chioma

I t ll’ bi t diIncremento nell’assorbimento di acqua esplorando un maggior volume

di suolo

Effetti “agronomici” dello stress idrico

Riduzione della crescita

Ridotta distensione(minor turgore)

Inibizione stomatica d ll f

Ridotto sviluppo degli organi riproduttivi

della fotosintesi

La ridotta espansione cellulare ha un effettosui meristemi alterando lo sviluppo di fiori e

Anticipo (grano) o ritardo (riso) della fioritura

ppspighe

In mais il ritardo nello sviluppo del fiore

Sterilità

n m n upp ffemminile causa una ridotta impollinazione

Il polline è molto sensibile al disseccamento,p i è f nt l st ilità m s hil

Riduzione degli assimilati

per cui è frequente la sterilità maschile

Durante lo sviluppo della cariosside il ridottoapporto di assimilati fotosintetici causa unaapporto di assimilati fotosintetici causa unariduzione del peso unitario del seme

Water Deficit

sensors

Signal transduction

ABA pathway non ABA pathwayABA pathway non-ABA pathway

protein synthesis

gene expression

gene products

STRESS ADAPTATION

STRESS ADAPTATIONSTRESS ADAPTATION

Strategie

Aggiustamento osmotico

Chiusura degli stomi

gg

Modifica della distribuzione degli assimilati

Modifica delle membrane cellulari

Sintesi di antiossidanti

Sintesi di “proteine da stress”

Chi t ti i i t llChiusura stomatica in risposta allostress idrico

Relazione tra contenuto idrico del suolo e conduttanza stomatica in Acer

pseudoplatanus.

Modifica della densità stomaticain risposta allo stress idrico

Well -watered

Water stressed

Questo consente di ridurre latraspirazione attraverso una più veloceregolazione stomatica.

Queste modifiche possono essereindotte da alti livelli di ABA

Un’altra risposta in molte piante è un decremento del potenziale osmotico provocato

d ACCUMULO DI SOLUTIda un ACCUMULO DI SOLUTI.Questo processo è chiamato regolazione

osmotica.

Riduzione del potenziale nelle foglie

Assorbimento idricoAssorb mento dr co

Mantenimento del turgore cellulare

Soluti coinvolti: ampio range di ioni(specialmente K+), zuccheri e amminoacidi(sorbitolo, prolina). Tutti hanno la proprietàdi non interferire significativamente con ignormali processi metabolici.

osmotic adjuster / osmotic non-osmotic adjuster / osmotic nonadjuster

Aggiustamento osmoticoin risposta allo stress idrico

Rappresentazione schematica del meccanismodi aggiustamento osmotico e delle sueripercussioni sulla capacità della pianta diresistere allo stress idrico

0 2 MPa

-1.0 MPa

-0.2 MPa

Stress idrico

Modifica del rapporto radici-chioma in risposta allo stress

idrico

Water stressed

lcontrol

Changes in root to shoot ratio in Acerpseudoplatanus in response to soil water

content.

Carenza Idrica

Modifica delle membrane cellulari

•Le membrane cellulari sono descritte comeun doppio strato fosfolipidi e glicolipidi incui sono inserite molecole proteichecui sono inserite molecole proteiche

•I fosfolipidi giocano un ruolo cruciale, anchese non ancora chiarito, nell’aumento dellastabilità delle membrane durante lo stressidricoidrico

•Il passaggio dell’acqua attraverso lemembrane è regolato anche da particolariproteine “acquaporine”, che funzionano dacanali proteici per il passaggio dell’acqua.canali proteici per il passaggio dell acqua.Queste proteine, che aumentano durante lostress, possono migliorare il trasportodell’acqua.

Sintesi di antiossidanti

•Lo stress idrico può indurre un accumulo di•Lo stress idrico può indurre un accumulo diradicali liberi e perossidi che possono causaredanni ossidativi all’organismo vegetaledistruggendo membrane cellulari, enzimi e DNA

•Gli antiossidanti sono sostanze naturalmente•Gli antiossidanti sono sostanze naturalmentepresenti nelle piante, in grado di detossificarei radicali liberi.

•Alcuni tra i principoali antiossidanti sono:

•Lo stress idrico può indurre un aumento nellai i di l l h ò ib i

•Alcuni tra i principoali antiossidanti sono:SOD (superossido dismutasi), catalasi,glutatione riduttasi, ascorbato perossidasi

sintesi di queste molecole, che può contribuiread alleviare i sintomi dello stress.

Sintesi di proteine da stress

control frost drought + ABA

Mitochondrial dehydrin-like proteins in winter wheatdlseedlings.

Le stress proteins sono un vasto gruppo didifferenti polipeptidi indotti da diversesituazioni di stress.Le deidrine intervengono nello stress idrico

regolando l’aggiustamento osmotico eproteggendo le membrane degli organellidall’essiccamento

ABA può indurre la sintesi di alcune stressproteins.

Lo stress salino

Il problema dei suoli salini interessasempre di più le nostre regioni acausa della risalita di acqua di mare(EC = 55 dS/m) nelle faldeacquifere, soprattutto nelle zonecostiere e nelle isole.

Un’altra fonte di salinità èrappresentata dalle concimazioni:coltivazioni intensive che insistono

l d i tsul medesimo terreno causano unaccumulo di macronutrienti che puòcompromettere e la produttivitàdelle piante.p

Concentrazione di sali nelle acqueConcentrazione di sali nelle acquedi pioggia e nel mare

Ione Acqua piovane Acqua marinamg/kg(ppm)

(µmol/L)µM

g/kg(‰)

(mmol/L)mM

Sodio (Na+) 2.0 86 10.8 470Cloruro (Cl-) 3.8 107 19.4 547Solfato (SO4

2-) 0.6 6 2.7 28

Magnesio (Mg2+) 0.3 11 1.3 53C l i (C 2+) 0 1 2 0 4 10Calcio (Ca2+) 0.1 2 0.4 10Potassio (K+) 0.3 8 0.4 10Totale 7.0 35.0

Fonte: Enciclopedia Britannica

Dei 230 Mha di terreni irrigui

45 Mha (19.5%)

Salinità dei suoli nel mondo

sono salini

Salinità dei suoli nel mondo

Areatotale

Suoli salini Suoli sodici

Mha Mha % Mha %

Africa 1899 39 2.0 34 1.8

Asia, Pacifico e 3107 195 6.3 249 8.0,AustraliaEuropa 2011 7 0.3 73 3.6

Latino America 2039 61 3.0 51 2.5

Vicino Oriente 1802 92 5.1 14 0.8

Nord America 1924 5 0.2 15 0.8

Totale 12781 397 3 1% 434 3 4%Totale 12781 397 3.1% 434 3.4%

Fonte: FAO Land and Plant Nutrition Management Service

Salinità dei suoli delle aree costiere in Italia (ENEA, 1998)

Un’acqua di pozzo (in zone interne della provincia di Napoli) contiene circa 1 g/L di

saleIrrigando una coltura di pomodoro con volume stagionale di 5000 m3/ha, l’apporto annuo sarà

circa 5 t/ha

Questi dati danno un’idea del reale rischio di accumulo e del peggioramento della qualità dei terreni legato alla progressiva salinizzazione

Conducibilità elettrica di soluzioni di alcuni tra i più comuni concimi impiegati nella nutrizione

delle piante (1 g/l)

Residuo salino fissoResiduo salino fisso

• Nel caso di misure analitiche lal à dsalinità si esprime come residuo

salino fisso o contenuto in sali totalidisciolti:– Contenuto totale di sali discioltiContenuto totale di sali disciolti

nell'unità di volume in mg/l, g/l.

– Concentrazione di sali minerali in ppm,‰.

– L'acqua viene definita salmastra quando– L acqua viene definita salmastra quandoha un residuo secco pari o superiore al 2‰ o a 2000 ppm.

Un indice analitico più completo è meq/l .

Metodoconduttivimetrico

• Il contributo di un sale alla salinitàd ll' è t t i t iùdell'acqua è tanto maggiore quanto piùelevata è la sua concentrazione e quanto piùesso è dissociato.

• Conducibilità elettrica (EC):– mmho/cm a 25 °C (da mho che è l’inverso

dell'ohm)– mS/cm o dS/m (1 mmho/cm = 1 mS/cm =

1 dS/m).– Un'acqua viene definita salmastra quandoUn acqua viene definita salmastra quando

l'EC è pari o supera i 3.0 dS/m (a 25 °C).

Sodio (Na+)Sodio (Na+)• Viene assorbito dalle piante (è

indispensabile a basseconcentrazioni) ma tende adconcentrazioni) ma tende adaccumularsi nel suolo/substrato eprovoca effetti tossici sullavegetazione e un peggioramentodelle caratteristiche fisiche deldelle caratteristiche fisiche delsuolo.

Cloruri (Cl-)Vengono assorbiti dalle piante (sono• Vengono assorbiti dalle piante (sonoindispensabili a basseconcentrazioni) ma tendono adaccumularsi nel suolo o nel substrato

p n ff tti t ssi i s lle provocano effetti tossici sullavegetazione.

Sodium AdsorptionpRatio (SAR)

• Na+ viene adsorbito dai colloidi delNa viene adsorbito dai colloidi delsuolo e ne determina ladeflocculazione con importantieffetti sulla permeabilità.

• Il rischio è ridotto dalla presenza diIl rischio è ridotto dalla presenza diCa2+ e Mg2+ e viene valutato con ilseguente indice (concentrazioni inmeq/L):

2

22MgCa

NaSAR

• Si considerano rischiose acquei i l d l SAR i

2

irrigue con valore del SAR superiorea 10 (a 5, per le coltureflorovivaistiche).

La misura della salinità del suolo

• Il metodo più comune per misurare las linità d l s l è l d t min i nsalinità del suolo è la determinazionedella conducibilità elettrica (EC)dell’estratto di pasta satura (ECe).

• La misura di EC di un suolo a contenutoin acqua noto può essere relazionatain acqua noto, può essere relazionataalla ECe usando fattori di conversione.

Conducibilità elettrica

Classe Valore (d / ) E

Valore (dS/m) E (

Valore (dS/m) E (

Conducibilità elettrica dell’estratto di saturazione

(dS/m) ECe(estratto

disaturaz.)

Ec5 (estrattoacquoso 1:2,5)

Ec5 (estrattoacquoso 1:5)

assente

trascurabile 0-2 0-0,5 <0.15

moderata 2-4 0,5-1 0.15 – 0.4

elevata 4-8 1,0-2,0 0.4 – 0.8

molto elevata 8-16 2,0-4,0 0.8 – 2

eccessiva >16 >4 >2

Percentuale di sodio scambiabile (ESP)

• Un altro parametro importante pertt i n s l s lin è lcaratterizzare un suolo salino è la

percentuale di sodio scambiabile (ESP)che si definisce come la proporzionefra il sodio scambiabile adsorbito (cheè l t ll’ ill ) l it diè legato all’argilla) e la capacita discambio cationico del suolo:

ESP = Sodio scambiabile (meq/100g) × 100

ESP Sodicità

ESP = Sodio scambiabile (meq/100g) × 100CSC (meq/100g)

< 8 Assente

8-15 Elevata

> 15 Molto elevata

Unità di misura dellasalinità e fattori disalinità e fattori di

conversioneUnità di

iApplicazioni 1 dS/m Conversione

misura =Conducibilità

elettrica(dS/m)

suoli 1 1 dS/m = 1 mS/cm = 1 mmho/cm

Conducibilità acqua 1000 1 µS/cm 1Conducibilitàelettrica(µS/cm)

acqua 1000µS/cm

1 µS/cm = 1 µmho/cm

Sali totali disciolti

acqua ~640mg/L

1 mg/L = 1 mg/kg = 1 ppmd sc olt

(mg/L)mg/L ppm

Molarità di NaCl (mM)

laboratorio 10 mM 1 mM = 1 mmol/L

Relazione generale della produzione rel tiv in funzi ne dell s linità sec ndrelativa in funzione della salinità secondo

l’equazione di Maas e Hoffman (1977)

SogliaSoglia

iva

Y = 100- p (EC-S)

one

relati

Prod

uzio

EC

S li i à l iSalinità e colture agrarie

Fagiolo Lattuga Sedano Asparago

Valori di conducibilità elettrica dell’estratto di pasta satura in

corrispondenza dei quali si verifica lacorrispondenza dei quali si verifica la riduzione produttiva del 50% per

alcune specie orticole

L’elevata salinità riduce la produzione

Produzione relativa in diverse varietà di d i f i d ll li i à d ll’pomodoro in funzione della salinità dell’acqua

di irrigazione

S linità n t i i nSalinità e nutrizione

5,0

6,0

Ca % Na % Cl %

2,0

3,0

4,0

g/1

00 g

SS

0,0

1,0

0 4 8 12 16

EC (dS/ )

La salinità può causare una serie di disordinifisiologici assimilabili alle fisiopatie da stressidrico e ascrivibili a carenza di calcio:

• cocomero, peperone, pomodoro (marciume

ECw (dS/m)

m , p p n , p m (m umapicale);

• carciofo (atrofia del capolino);• cavolfiore (bottonatura, imbrunimento a

chiazze del corimbo);• cavolo broccolo (imbrunimento e• cavolo broccolo (imbrunimento e

disseccamento dei bocci fiorali);• lattuga (imbrunimento del margine fogliare);• sedano (cuore nero, spugnosità dei piccioli).

Salinità e qualitàSalinità e qualità

12

14

mg/100 g FW

De Pascale et al. (2001) J. of Hortic. Sci. & Biothec., 7 (4), 447- 453.

6

8

10

12

Lycopene

R² = 0.809

R² = 0.791

0

2

4

0 5 10 15

Lycopene

Total carotenoids

ECw (dS m-1

)

A

w ( )

120

140

160

180

200mg/100 g DW

R²= 0.908

40

60

80

100

120

Lycopene

Total carotenoids

R² = 0.915

0

20

0 5 10 15ECw (dS m

-1)

B

Relazione tra il contenuto di carotenoidi totali e dilicopene di bacche di pomodoro e la EC dell’acqua diirrigazione.(A) Contenuti espressi su peso fresco(B) Contenuti espressi su peso secco.

STRESS SALINO

Ambienti caratteristici: paludi costiere, deserti,

Lo stress salino si riferisce a un eccesso di ioni nel terreno, in particolare Na+ e Cl-.

laghi interni, terreni agricoli.

Si può alleviare lo stress salino con la gestione dell’irrigazione e con specie con alta tolleranza

ai saliai sali.

Le alofite (piante resistenti ad alte concentrazioni saline) più tolleranti crescono a

concentrazioni di NaCl tra 200 e 500 mM.

Alcune alofite sono conosciute come “regolatori salini”, in quanto non assorbono

sale dal terreno; oppure lo assorbono prima, ma poi lo secernono attraverso ghiandolema poi lo secernono attraverso ghiandole

specializzate nelle foglie.

Le piante vengono distinte in due grandi gruppi in funzione della

tolleranza alla salinità:tolleranza alla salinità:ALOFITE GLICOFITE

Resistono bene al sale

Non tollerano alti livelli di sale

L pi nt lti t n t tt li fitLe piante coltivate sono tutte glicofiteSensibilità al sale in specie ortofloricole

Andamento della crescita di diverse specie vegetali all'aumentare della concentrazione dello

ione cloro

Andamento della crescita di diverse specievegetali all'aumentare della concentrazione delloione cloro (da Greenway e Munns, 1980):Le specie sono classificabili in quattro gruppi: IAalofite (Suaeda maritima Atriplex nummularia);alofite (Suaeda maritima Atriplex nummularia);IB, alofite tolleranti il sale con ritardodell'accrescimento (Spartina townsendii e Betavulgaris); II, alofite e non alofite; III, nonalofite.

ll ll l àTolleranza alla salinità

Stress salino

Eccessodi ioni

(Na+ Cl-)

Eccessoosmotico

mar

i

(Na Cl )

Alterazione dellostato idricoEv

enti p

rim

Alterazionimetaboliche stato idrico

Riduzione della crescita

E metaboliche

crescita

ndar

i

Inibizione della divisione cellularedi i i d ll b

Even

ti s

econ disorganizzazione delle membrane

stress ossidativoinibizione della fotosintesitossicità metabolicaE

riduzione dell’assorbimento minerale

Morte cellulare

Gli “accumulatori di sale” assorbono gli ioni ma mantengono il turgore cellulare costante

gli ioni in eccesso nel vacuologli ioni in eccesso nel vacuolo.

Dall’altro estremo vi sono le glicofite, sensibili; danni già a concentrazioni di NaCl

minori di 50 mM.

Effetti dello stress salino:

1. INDIRETTI (SUOLO)• Altera la struttura del suolo;Altera la struttura del suolo;• Genera un basso potenziale dell’acqua nel

suolo;

2. DIRETTI (PIANTA)• Tossicità di alcuni ioni, specialmente Na+

e Cl-.

Effetti: soppressione della crescita; ppriduzione del carbonio assimilato ridotta

fotosintesi, aumento della respirazione; trascrizione di nuovi geni nuove proteine

(es. osmotine)

Principali effetti della salinità dell’acqua irrigua sul terreno e sulla pianta

SALINITA' DELL'ACQUA DI IRRIGAZIONE

SUOLO

- Accumulo di sale

PIANTE

- Effetto osmotico- Aumento della salinità- Innalzamento del pH- Riduzione della permeabilità- Peggioramento della struttura

- Effetto di salinità iono-specifica

Visualizzazione di uno stoma sulla laminafogliare

• Il movimento dell’acqua • Il flusso idrico si muove• Il movimento dell acquanella pianta è governatoda regole analoghe aquelle per il flusso dielettricità (legge diOhm).

Il flusso idrico si muoveda un punto del sistemaad alto potenzialeidrico (meno negativo)ad un punto apotenziale idrico bassoOhm).

• Può essere descrittoattraverso una rete dipotenziali, di resistenzee di capacitanze.

p(più negativo).

D l l ( 0 01÷ 0 15 MP )Dal suolo ( s =-0,01÷-0,15 MPa) versol’atmosfera ( =-50÷-100 MPa) attraversola pianta

Il gradiente di potenziale nel continuum suolo-pianta-atmosfera è la forza che guida il flusso

idrico attraverso la pianta

s = potenziale idrico del suolo;r = potenziale idrico radicale;px = potenziale idrico xilematico;f = potenziale idrico fogliare;aria = potenziale idrico dell’atmosfera;

Rs = resistenza suolo;R i t di lRr = resistenza radicale;Rst= resistenza del fusto;Rf = resistenza fogliare;E = ambiente esterno.

Il sale si muove dalle radici alla parte aereatt il fl t i t i iattraverso il flusso traspiratorio, necessario

per il mantenimento del bilancio idrico

In presenza di elevati livelli salini un flussoIn presenza di elevati livelli salini un flussotraspiratorio non regolato si tradurrebbe

rapidamente in un accumulo di sali

Relazione tra flusso di ioni nella chiomaRelazione tra flusso di ioni nella chiomae traspirazione (water flow)

La prima risposta della pianta alla p p psalinità è la riduzione della traspirazione (stomi chiusi)

Relazione tra conduttanza stomatica e salinità in Aster

Salinità e scambi gassosi

Tesi Pn Tr gs WUE

[ molCO2 m-2

s-1]

[mmol H2Om-2 s-1]

s

[mol

m-2 s-1]

[Pn/Tr]

Stressid i

5.3 c 8.2 c 0.40 B 0.64 cidrico

Controllo 14.0 a 11.2 a 0.75 A 1.25 a

4.4 dS/m 11.2 b 9.5 b 0.41 B 1.18 a

8 5 dS/m 6 5 c 8 2 c 0 40 B 0 79 b8.5 dS/m 6.5 c 8.2 c 0.40 B 0.79 b

Fotosintesi netta (Pn), Traspirazione (Tr), Conducibilità Stomatica (gs) e water use efficiency

(WUE) di piante di peperone in funzione ditrattamenti irrigui.

(De Pascale et al., 2003 - Physiological Responses of Pepper to Salinity and Drought. J. of Am. Soc. of

Hort. Sci. Vol. 128, n. 1, 48-54 ). . . , . , )

Strategie per evitare l’accumulo di ioni nelle foglie

Limitare la traspirazione per ridurre iltrasporto degli ioni “indesiderati”

Mantenere la traspirazione ma ridurre ilil i di i i “i d id i”

g

trasporto xilematico di ioni “indesiderati” afavore di quelli “desiderati” (k+, NO3

-)compartimentalizzazione (vacuolo)

Regolare la concentrazione di ioni nellaRegolare la concentrazione di ioni nellaparte aerea attraverso la crescita(aumento del numero e delle le dimensionidelle cellule)

Rimuovere gli ioni in eccesso dalla partemuo ere g on n eccesso da a parteaerea.

Abscissione fogliareesportazione via floemaghiandole e vescicole saline

NaCl

NaCl NaCl

Acqua salina

NaCl

Acqua salina

Ghiandole saline – Foglie di Mangroviabianca

Cristalli disalesale

La chiusura stomatica è mediata da un aumento di ABA

Livelli di ABA in piante di Atriplex canescenssoggette a dosi crescenti di NaCl

• La chiusura stomatica, tuttavia, non puòrappresentare una strategia a lungo termine,rappresentare una strategia a lungo termine,sia per la differenza di potenziale tral’atmosfera e la foglia, sia per la necessità difotosintetizzare

L DEVE l• La pianta DEVE mantenere la traspirazione(anche se ridotta) e regolare il movimentodegli ioni all’interno dei tessuti

Osmoregolazione

H2O H2ONaCl

Osmoregolazione

Cl- Cl-

2

Na+

Na+

Na+Na+ Na+

Na+ Cl-Cl-

Cl-

H2O

Na+

Cl-

[S l i ibili]

Na+

Na+Na+

H2O

H2OCl-

Na+

[Soluti compatibili]Na+

• MannitoloP lin• Prolina

• Trealosio• Composti quaternari dell’ammonio

Aggiustamento osmotico eAggiustamento osmotico e compartimentalizzazione

H O

[Na+]

H2OH2O[K+]

[Na+]

[Na ]

K+ polyols proline betaine

t h lTonoplast

OH-*-scavenging

perox

cp

mt

Na+/H+K+ H+

pH 7.5

pH 5.5

K+(Na+)K+(Na+)

Na+

PlasmaMembrane

trehalose ectoine DMSPNa+

Cl-

Ca2+

pperox

H+

Na+

H2O

pH 5.5

-120 to -200 mV

+20 to +50 mVH+

H+

PPi

H+ATP

H+

Cl-

ATP

Na+

H+

Ca2+

H+Ca2+ATP

NaCl

H2O

Cl-

Na+Inositol

H+Cl-Cl

Ca2+Ca2+

ATP

Ca2+

Cl-

Ca2+

Il ruolo di ABA nell’acquisizione della tolleranza

Stress salino

Sintesi di ABA

Proteine coinvolte nel “signal-transduction pathway”

(DNA e RNA binding proteins, protein kinases)( g p , p )

Proteine coinvolte direttamente nella risposta allo stress (enzimi per la sintesi di solutiallo stress (enzimi per la sintesi di soluti

compatibili e di antiossidanti, acquaporine, proteine protettive delle membrane, ecc.)

Tolleranza

Misurare l’ABAL d t i i tit ti d ll’ABA òLa determinazione quantitativa dell’ABA puòessere effettuata con metodi chimico-fisici (HPLC, CG, CG-MS)

Sono metodi molto accurati, ma richiedono,attrezzature costose e notevoli conoscenzedelle tecniche analitiche e delle strumentazioni

Inoltre l’analisi richiede l’estrema purificazione dei campionipurificazione dei campioni

Tempi molto lunghi

Necessità di notevoli quantità di tessuto

Elevati rischi di perdite (non standardizzabili)

Necessità di uno standard interno

Difficoltà di processare molti campioniDifficoltà di processare molti campioni

In alternativa possono essere utilizzati gli

Misurare l’ABAp g

IMMUNOASSAYS

Sono metodi estremamente rapidi, ma molto

Si basano sull’impiego di ANTICORPI

p ,accurati, che richiedono solo semplici

strumentazioni

L’analisi non richiede la purificazione dei campionicampioni

Tempi molto brevip

Necessità solo di minime quantità di tessuto

Nessun rischio di perdite

Possibilità di processare molti campioni