Risposta della conduttanza stomatica Risposta della conduttanza stomatica all’azione combinata di ozono e stress idrico all’azione combinata di ozono e stress idrico

in in Quercus ilexQuercus ilex

Marcello Vitale, Elisabetta Salvatori, Fausto ManesDipartimento di Biologia Vegetale – Università di Roma “La Sapienza”

Francesco Loreto, Silvano FaresIstituto di Biologia Agro-ambientale e Forestale – CNR, Monterotondo scalo

(Roma)

RIO3-VEG: Rete Informativa su Ozono e Vegetazione

Ozono e Vegetazione: Il Contributo della Ricerca ItalianaOzono e Vegetazione: Il Contributo della Ricerca Italiana

Primo Incontro, 24 Novembre 2006 – San Piero a Grado (Pisa)

RADICI FUSTI FOGLIE (modificato da Fuhrer, 2003)

[CO2]i

Assimilazione

CO2

Flusso

soglia

Antiossidanti CH2O

Traslocazione

CO2O3

Meccanismi

riparazione

Conduttanza

stomatica

[O3]i

Cinque anni di biomonitoraggio passivo sono stati condotti Cinque anni di biomonitoraggio passivo sono stati condotti su una lecceta naturale posta all’interno della tenuta su una lecceta naturale posta all’interno della tenuta Presidenziale di Castelporziano a sud di Roma. Per l’analisi Presidenziale di Castelporziano a sud di Roma. Per l’analisi dei dati sono state utilizzate differenti approcci statistici: dei dati sono state utilizzate differenti approcci statistici: regressione multipla lineare e l’analisi delle reti neurali regressione multipla lineare e l’analisi delle reti neurali (Neural Network Analysis (NNA)).(Neural Network Analysis (NNA)).

I° caso di studioI° caso di studioLo scopo è quello di valutare le risposte morfologico-Lo scopo è quello di valutare le risposte morfologico-funzionali alle variazioni stagionali dei principali funzionali alle variazioni stagionali dei principali parametri ambientali, concentrazioni di ozono e flusso parametri ambientali, concentrazioni di ozono e flusso stomatico all’ozono (FO3), su foglie di stomatico all’ozono (FO3), su foglie di Quercus ilexQuercus ilex L. L. poste in condizioni sperimentali naturali.poste in condizioni sperimentali naturali.

Manes, Vitale, Di Traglia (2005. Plant Biosystems 139(3): 265 – 278Manes, Vitale, Di Traglia (2005. Plant Biosystems 139(3): 265 – 278

2004

0

2,5

5

7,5

16 July 28 July 12 Aug 28 Aug 10 Sept

FO

3 nm

olO

3/m

2 s

0

750

1500

2250

AO

T40

ppb

h

Flux AOT40

2003

0

2,5

5

7,5

14 July 24 July 6 Aug 20 Aug 2 Sept 16 Sept

FO

3 nm

olO

3/m

2 s

0

750

1500

2250

AO

T40

ppb

h

Flux AOT40

AOT40 e flussi stomatici di ozono (FO3) relativi alle campagne di misura 2003-2004. I valori di AOT40 sono stati calcolati considerando i 5 giorni precedenti dal giorno di misura dei parametri fisiologici. E’ evidente il totale disaccoppiamento tra le due variabili.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

01/06/04 01/07/04 01/08/04 01/09/04 01/10/04 01/11/04 01/12/04

date

O3

sto

mat

al f

lux

(mm

ol/

m2)

R

ain

fall

s (m

m)

0

5000

10000

15000

20000

AO

T40

(p

pb

h)

Rainfalls

Cumulative O3Stomatal Flux

AOT40

Gli andamenti del flusso cumulato di

ozono e dell’AOT40 procedono

parallelamente se le condizioni

ambientali e idriche non subiscono

variazioni. Quando ciò accade, si può

osservare un disaccoppiamento tra le due

variabili (Gerosa et al., 2006 - inviato a

Atmospheric Environment)

CO2 Phar UR% VPD TEMP Trasp COND Tleaf PHOTO CO2int Ci/Ca WUE sO3

CO2 1.00 Phar -0.02 1.00 UR% 0.11 -0.19 1.00 VPD 0.03 0.32 -0.66 1.00 TEMP 0.05 0.19 -0.13 0.77 1.00 Trasp -0.19 0.24 -0.28 0.17 0.01 1.00 COND -0.24 0.05 0.05 -0.27 -0.29 0.65 1.00 Tleaf 0.05 0.29 -0.14 0.79 0.99 0.08 -0.31 1.00 PHOTO -0.00 0.10 -0.14 -0.25 -0.45 0.32 0.46 -0.43 1.00 CO2int 0.21 0.07 0.11 0.04 0.14 0.22 0.24 0.11 -0.41 1.00 Ci/Ca 0.00 0.07 0.01 0.02 0.12 0.27 0.32 0.09 -0.42 0.97 1.00 WUE 0.26 -0.30 0.32 -0.57 -0.59 -0.38 -0.12 -0.59 0.44 -0.58 -0.64 1.00 sO3 0.07 0.20 -0.13 0.76 0.99 0.09 -0.30 0.98 -0.45 0.13 0.12 -0.57 1.00

Matrice di correlazione relativa al data set di Quercus ilex (1993 – 2004)Matrice di correlazione relativa al data set di Quercus ilex (1993 – 2004)

COND = - 64.63 – 3.05VPD + 33.26TRASP + 7.73PHOTO + 209.40Ci/Ca,

R2adj = 0.676

PHOTO = 20.76 + 0.001PAR – 0.31TEMP + 0.758TRASP + 0.022COND – 17.17Ci/Ca,

R2adj=0.653

L’analisi di regressione multipla effettuata sui dati relativi al leccio

raccolti durante le campagne sperimentali dimostrano la difficoltà di

derivare un modello meccanicistico lineare multiplo che, prendendo

in considerazione le principali variabili ambientali, sia in grado di

predire il comportamento stomatico a differenti condizioni

ambientali.

INPUT HIDDEN NODES OUTPUT H1 H2 H3 H4

Intercept -1.755 -9.470 2.659 10.952

VPD -0.690 -0.422 -0.036 3.593 Trasp 0.817 1.671 0.801 -1.559 Photo 0.210 -2.942 -0.040 0.033 Ci/Ca 0.133 -0.895 -0.034 -0.340 O3s -0.108 1.822 0.127 0.821 Intercept

-1.668 4.783 -10.099 7.120 -5.794 COND

VPD

Trasp

Photo

Ci/Ca

H1

H2

H3

H4

Cond

O3s

Cond

400

0

111,7229

VPD5,4

88001

56,9

2189

20,9442

Trasp

0

14,0

3435

1,89169

Photo

-2,1

23,3

8,7043

Ci/Ca

0

1,3

32599

0,56966

O3s2,2

51215

128,4

464

75,0919

Analisi neurale condotta sul

data set di Quercus. La

topologia della rete è come la

precedente , ma con 5

variabili di input per la

predizione di COND). Dai

profili di predizione è

evidente che la conduttanza

stomatica al vapore acqueo

risulta essere principalmente

influenzata dal VPD.

R2 = 0.99

INPUT HIDDEN NODES OUTPUT H1 H2 H3

Intercept 1.629 -1.605 0.831

Phar -0.1579 0.132 -0.138 Tair 0.232 -0.146 0.206 Trasp -0.058 0.018 -0.038 Cond -0.843 -0.0183 -0.798 Ci/Ca 0.215 -0.693 0.482 O3s -0.339 0.324 -0.334 FO3s 0.284 -0.246 0.285 Intercept

0.590 24.163 -11.887 -26.567 PHOTO

0

10

20

Pho

to

0 10 20

Photo Predicted

Phar

Tair

Trasp

Cond

Ci/Ca

O3s

H1

H2

H3

Photo

FO3s

Pho

to

20

-2

10,06041

Phar

3

22061375,48

Tcuv

8,3

38,326,6371

Trasp

0

14,0

34351,89169

Cond

10,8

915,

9

120,938

Ci/Ca

0

1,33

25990,56966

O3s2,25

1215

128,

446475,0919

FO3s

0

34,5

07255,1126

Analisi neurale condotta sul

data set di Quercus. La

topologia della rete è

caratterizzata da 3 nodi

nascosti (neuroni), 7 variabili di

input ed 1 variabile di output –

fotosintesi netta (PHOTO).

L’alta capacità predittiva della

NNA è evidenziata dalle

comparazioni con I valori

osservati. Osservando i profili

di predizione derivati dal

modello neurale la fotosintesi

mostra una relazione non

lineare con l’assorbimento

stomatico di ozono (FO3).

R2 = 0.96

Conclusioni 1° caso di

studio

La risposta funzionale di La risposta funzionale di Q. ilexQ. ilex analizzata rispetto ai trend delle analizzata rispetto ai trend delle

concentrazioni di ozono, dell’assorbimento stomatico di ozono e concentrazioni di ozono, dell’assorbimento stomatico di ozono e

dei parametri ambientali suggeriscono l’esistenza di dei parametri ambientali suggeriscono l’esistenza di relazioni relazioni

non linearinon lineari come evidenziato dall'analisi neurale. L'effetto come evidenziato dall'analisi neurale. L'effetto

dell’ozono sulla fotosintesi è funzione dell’assorbimento dell’ozono sulla fotosintesi è funzione dell’assorbimento

stomatico di Ostomatico di O33 e non delle concentrazioni di ozono (O3mean), e non delle concentrazioni di ozono (O3mean),

mentre la conduttanza stomatica non risultava interessata da mentre la conduttanza stomatica non risultava interessata da

queste ultime ma dal VPD. queste ultime ma dal VPD.

Manes et al., Plant Biosystems, Vol. 139, No. 3, November 2005, pp. 265 – Manes et al., Plant Biosystems, Vol. 139, No. 3, November 2005, pp. 265 – 278278

Nelle aree con aridità estiva, si attende un Nelle aree con aridità estiva, si attende un minore assorbimento minore assorbimento

stomatico di ozonostomatico di ozono – come visto per il leccio, rispetto a specie presenti – come visto per il leccio, rispetto a specie presenti

in aree più umide. La sincronizzazione dei picchi di attività fisiologica, in in aree più umide. La sincronizzazione dei picchi di attività fisiologica, in

relazione alle condizioni ambientali limitanti e alle elevate relazione alle condizioni ambientali limitanti e alle elevate

concentrazioni di ozono nell’area mediterranea diventa un fattore concentrazioni di ozono nell’area mediterranea diventa un fattore

critico.critico.

Nel leccio, data l’assenza del danno morfologico, si è osservata una Nel leccio, data l’assenza del danno morfologico, si è osservata una

sequenza molto complessa dei rapporti fra le variabili che interagiscono sequenza molto complessa dei rapporti fra le variabili che interagiscono

a vicendaa vicenda. In conseguenza di ciò . In conseguenza di ciò l’analisi statistica linearel’analisi statistica lineare ha fornito ha fornito

scarsi risultati rispetto a quelli che derivano scarsi risultati rispetto a quelli che derivano dall’analisi neuraledall’analisi neurale. Ciò è . Ciò è

importante nella valutazione dei livelli critici basati sulle concentrazione importante nella valutazione dei livelli critici basati sulle concentrazione

di ozono poiché la concentrazione di Odi ozono poiché la concentrazione di O33, di per sé, non è stata , di per sé, non è stata

considerata un parametro influente sulla fotosintesi e sulla conduttanza considerata un parametro influente sulla fotosintesi e sulla conduttanza

stomatica dall’analisi neurale, mentre ha rappresentato una variabile stomatica dall’analisi neurale, mentre ha rappresentato una variabile

importante insieme alla temperatura nell'analisi lineare. importante insieme alla temperatura nell'analisi lineare.

Conclusioni 1° caso di

studio

2° caso di studio2° caso di studioESPERIMENTO DI FUMIGAZIONE CON OZONO IN AMBIENTE ESPERIMENTO DI FUMIGAZIONE CON OZONO IN AMBIENTE CONTROLLATO SU PIANTINE DI CONTROLLATO SU PIANTINE DI Quercus ilexQuercus ilex, IRRIGATE E NON , IRRIGATE E NON IRRIGATE. IRRIGATE.

ObiettivoObiettivo: determinare l’impatto combinato di stress idrico e O3 sul comportamento stomatico del leccio.

Set –O3+H2O: controllo, non fumigato e irrigato;

Set O3+H2O: irrigato, fumigato a 250ppb di O3 x 4 h x 5 gg x 4 settimane;

Set O3-H2O: non irrigato, fumigato a 250ppb di O3 x 4 h x 5 gg x 4 settimane.

22000 ppb h

http://www.colorado.edu/Chemistry/grad/faculty/Fall/lab/) da Fall, 1999

Niinemets, Loreto, Reichstein (2004). Niinemets, Loreto, Reichstein (2004). TRENDS in Plant Science 9(4): 180-186TRENDS in Plant Science 9(4): 180-186

L’emissione di composti organici volatili (VOCs) generati dalla pianta è limitata sia da fattori fisiologici che da quelli fisico- chimici. I primi determinano la disponibilità di precursori per i VOCs e controllano la massima attività degli enzimi implicati nelle vie di sintesi. I secondi limitano la volatilità, la diffusione entro la fase acquosa e la diffusione gassosa all’interfaccia foglia – atmosfera.

Scambi gassosi fogliari

E Gs A

A: m

olC

O2 m

-2s-1

E:

mm

olH

2O

m-2

s-1G

s: mm

olH

2 O m

-2s-1

s et : O 3+H 2O

We

ek:

I0 IF IIF

IIIF

IVF IR

-2 .0

-1 .0

0 .0

1 .0

2 .0

3 .0

4 .0

5 .0

s et : O 3-H 2O

We

ek:

I0 IF IIF

IIIF

IVF IR

set: -O 3+H 2OW

eek

:I0 IF IIF

IIIF

IVF IR

0

20

40

60

80

100

120

Conduttanza stomatica: tabelle di correlazione semplice e parziale

Fluorescenza fogliare

L’ozono non ha effetti sulla fase luminosa della fotosintesi nel leccio del set idratato

P S II(L ) qP (L ) qNP (R)

s et : O 3+H 2O

We

ek:

I0 IF IIF

IIIF

IVF IR

0 .0

0 .1

0 .2

0 .3

0 .4

0 .5

0 .6

0 .7

0 .8

0 .9

1 .0

P

SII

, qP

s e t : O 3-H 2O

We

ek:

I0 IF IIF

IIIF

IVF IR

s e t : -O 3+H 2OW

eek

:I0 IF IIF

IIIF

IVF IR

0 .0

0 .1

0 .2

0 .3

0 .4

0 .5

0 .6

0 .7

0 .8

0 .9

1 .0

qN

P

O3 uptake, emissione di monoterpeni (a) e dei prodotti risultanti O3 uptake, emissione di monoterpeni (a) e dei prodotti risultanti

dall’attività della Lipo-ossigenasi (b), a 30°C. dall’attività della Lipo-ossigenasi (b), a 30°C. La sintesi e l’emissione di VOCs implica un loro ruolo protettivo

(Loreto et al., 2004). Nel set O3+H2O

l’elevata emissione di monoterpeni permette il mantenimento dell’attività fisiologica con una concentrazione cumulata esterna di

O3 pari a 22 ppm h, contrastando la

perossidazione delle membrane durante la 3° settimana di fumigazione.Tale ruolo protettivo dei monoterpeni risulta essere negativamente influenzato dallo

stress idrico del set O3-H2O, che

causava un elevato stress ossidativo “interno“ e la riduzione degli scambi gassosi. Si rivela un’intensa attività di perossidazione già alla 2° settimana di fumigazione.

Scambi gassosi fogliari diurni (durante le fumigazioni) e notturni: set O3+H2O

Gli scambi gassosi diurni misurati

sul set (O3+H2O) mostrano una

riduzione di Gs durante la 3°

settimana di fumigazione.

Durante le rispettive notti

successive alle fumigazioni Gs

tende ad aumentare.

360.48% rispetto al pre-trattamento; F=157.14, p<<0.05

Importanti effetti in condizioni di campo:

aumento del flusso di O3

durante la notte, effetti negativi sulla fisiologia e sulla produttività delle piante, in quanto la barriera antiossidante non viene continuamente ripristinata durante le ore notturne (Musselmann e Minnick, 2000; Grulke et al., 2003; Matyssek et al., 2004)

Scambi gassosi fogliari diurni e notturni nei fine settimana: set O3+H2O

Conclusioni del 2° caso di studio

a) L’ozono e lo stress idrico non agiscono in modo sinergico (set O3-H2O). Lo stress idrico induce una precoce chiusura stomatica che impedisce o limita fortemente l’entrata di O3

nella foglia e sembra imporre una severa limitazione all’efficienza della resa quantica del PS II;

b) I monoterpeni mostrano un ruolo protettivo contro l’O3, ma tale

ruolo sembra ridotto dall’effetto dello stress idrico sull’assimilazione del carbonio;

c) L’esposizione diurna all’O3 causa un progressivo incremento

della conduttanza stomatica notturna quando il sistema difensivo degli antiossidanti è al suo livello più basso. Ciò può aumentare la vulnerabilità delle piante allo stress ossidativo, influenzando in tal modo la performance di Quercus ilex quando esposto all’O3 in condizioni naturali per periodi lunghi di

tempo.Vitale M., Salvatori E., Loreto F., Fares S., Manes F., 2006. Inviato a Environmental Vitale M., Salvatori E., Loreto F., Fares S., Manes F., 2006. Inviato a Environmental

PollutionPollution

Grazie per la vostra attenzione !

L‘applicazione dell’analisi neurale era già stata utilizzata L‘applicazione dell’analisi neurale era già stata utilizzata

da Ball ed altri (2000) su un data set di da Ball ed altri (2000) su un data set di Trifolium repensTrifolium repens

sensibile all’O3 con la quale avevano descritto tutti i sensibile all’O3 con la quale avevano descritto tutti i

fattori che interessano il rapporto tra la biomassa del fattori che interessano il rapporto tra la biomassa del

trifoglio resistente e quella del sensibile all’O3 indicando trifoglio resistente e quella del sensibile all’O3 indicando

che l'indice AOT40 era un fattore importante che che l'indice AOT40 era un fattore importante che

interessava tale rapporto; gli autori però non avevano interessava tale rapporto; gli autori però non avevano

considerato l’assorbimento stomatico di ozono nella loro considerato l’assorbimento stomatico di ozono nella loro

analisi neurale. analisi neurale.

Conclusioni 1° caso di

studio

Ozono troposferico: ciclo di Ozono troposferico: ciclo di formazione e distruzioneformazione e distruzione

TE

MP

(°C

)

10

15

20

25

30

35

40

1993 1994 1998 2003 2004

YEAR

VPD

(mba

r)

0

10

20

30

40

50

60

1993 1994 1998 2003 2004

YEAR

CO

ND

S (

mm

olm

-2s-

1)

0

100

200

300

400

500

1993 1994 1998 2003 2004

YEAR

FLU

X O

3 (n

mol

m-2

s-1)

0

5

10

15

20

1993 1994 1998 2003 2004

YEAR

O3

ME

AN

(pp

b)

0

20

40

60

80

100

120

140

1993 1994 1998 2003 2004

YEAR

PHO

TO (m

icrom

ol m

-2s-

1)

-5

0

5

10

15

20

25

1993 1994 1998 2003 2004

YEAR

Overview di variabili ambientali e fisiologiche riguardanti 5 anni di campagne sperimentali

condotte nel sito naturale della Tenuta di Castelporziano su Quercus ilex. Le concentrazioni di

ozono temperatura-dipendenti sono state stimate mediante una formula empirica derivata dai

dati di campo.