Ecofisiologia Vegetale:

Ecofisiologia
Vegetale
Appunti di Martino Raviola
Università degli Studi di Torino
Facoltà: Biologia dell'Ambiente
Corso di Laurea in Biologia dell'Ambiente
Esame: Ecofisiologia Vegetale
Docente: Gianpiero Vigani
A.A. 2020/2021
Tesi
online
A P P U N T I
Tesionline ECOFISIOLOGIA VEGETALE 
Uno dei principali obiettivi della ricerca sulle piante è aumentare la produzione di cibo, a causa della crescita 
demografica si stima che sarà necessario incrementare la produzione del 70% nei prossimi 40 anni. Bisogna 
capire come coltivare le piante in climi e areali avversi e come poterle sfruttare al meglio. Tuttavia, la 
sovrapproduzione deve essere mediata dagli obiettivi dello sviluppo sostenibile. Tutti i Goals sono dipendenti 
fra loro.  
Gli impatti sull’ambiente hanno impatti diretti anche a livello socio-economico, è necessario trovare delle 
soluzioni alternative per lo sviluppo sostenibile. 
Il processo di domesticazione ha permesso di selezionare alcune specie per il sostentamento alimentare ma 
ha causato la perdita di specifici adattamenti e caratteristiche genetico-molecolari delle stesse che erano 
presenti nelle linee progenitrici; è importante quindi capire quali siano questi adattamenti persi (Es: 
resistenza alla siccità). 
Preservare le specie delle piante e capire come sfruttarle al meglio (senza impattare sull’ambiente) è la 
strategia che si sta impiegando, per farlo è necessario capire come le piante interagiscono con 
l’ambiente. Capire i meccanismi molecolari significa capire come avvengono le risposte delle piante a livello 
cellulare in seguito a uno stimolo.  
L’ecologia è la scienza delle relazioni tra un organismo e l’ambiente circostante; in questo contesto di 
relazioni si sviluppano gli adattamenti. I meccanismi che avvengono a livello cellulare sono lo specchio di ciò 
che si verifica a livello fisiologico e morfologico. L’ecofisiologia vegetale è definita fisiologia vegetale degli 
stress, essa è in stretta relazione con le relazioni che la pianta ha con l’ambiente circostante; le risposte che 
la pianta attua nei confronti degli stress ambientali determineranno le relazioni che la pianta intera determina 
con l’ambiente circostante (Es: produzione molecole rilasciate nel suolo per eliminare la crescita di miceti 
batterici). La sinecologia studia le relazioni di una popolazione all’interno di un ecosistema, le modificazioni 
a livello fisiologico definiscono quindi le dinamiche a livello individuale e sinecologico.  
La fisiologia degli stress è capire come la pianta interagisce con l’ambiente, a livello molecolare e tissutale. I 
fattori ambientali influiscono su queste dinamiche. Essi sono definiti in 3 macrocategorie: 
• RISORSE → Essenziali per la crescita e lo sviluppo. Sono luce, CO2, acqua, azoto, fosforo etc… 
Esse nel momento in cui mancano possono diventare fattori di stress. 
• STRESSORI → Fattori la cui variabilità va a influire in maniera negativa sulla crescita e lo sviluppo. 
Sono fattori naturali come il PH, la salinità, la temperatura etc… 
• XENOBIOTICI → Sostanze tossiche non presenti in natura ma immesse da azioni antropiche con le 
quali la pianta, in quanto organismo sessile, deve confrontarsi per sopravvivere. Sono ad esempio 
l’inquinamento, le tossine organiche e inorganiche 
La pianta deve quindi tutelarsi dalle sostanze xenobiotiche, utilizzare in modo ottimale le risorse ed 
evitare/superare i fattori stressori. Un impatto negativo incide sulla vitalità, sullo sviluppo e sulla crescita. 
La diversa combinazione dei fattori ambientali influisce sullo sviluppo e l’estensione di una comunità 
vegetale in un ecosistema. 
STRESS 
Classificati in base alla natura dello stress. 
1. Biotici → Dati da altri organismi viventi che generano un impatto negativo sulla pianta:  
• Infezione causata da agenti patogeni 
• Erbivori 
• Competizione 
2. Abiotici → Dati da fattori ambientali di natura chimico/fisica: 
• Temperatura Lo stress da freddo è differente tra il raffreddamento e il congelamento (effetti 
e risposte diverse) 
• Acqua siccità o sommersione  
• Radiazioni La luce determina delle risposte specifiche biochimiche e cellulari per 
contrastare le variazioni della stessa 
1• Stress chimico Legati ai minerali e agli inquinanti (le risposte sono specifiche e sono di 
immagazzinamento o evitamento) 
• Stress meccanico Legato allo stress biotico, l’erbivoria è legato allo stress meccanico 
(rottura tessuti) 
• Stress elettrico e magnetico  
L’intensità dei fattori viene percepita come stress perché allontana la pianta dalla sua condizione ottimale di 
crescita e sviluppo. Nel momento in cui si determinano delle variazioni ambientali la pianta viene spostata 
dalla sua condizione normale ed ottimale, definita fisiological normal type. 
Tanto maggiore è la deviazione tanto maggiore sarà l’intensità dello stress. Le risposte sono più specifiche 
dove lo stress è maggiore. Bisogna quindi conoscere i range ottimali di crescita delle piante per poter 
studiare le risposte; ciò porta alla specie-specificità delle risposte nei confronti degli stress, che dipende dal 
genotipo considerato. 
Le reazioni agli stress sono caratterizzate da risposte specifiche e a-specifiche (attivazione risposte 
comuni in diverse tipologie di stress). 
Cross protection = Legata a una condizione di stress multiplo. Dopo l’aggiunta di un secondo stress, se le 
risposte a-specifiche sono le stesse, la pianta può essere più pronta a contrastarlo e quindi in parte si dice 
“protetta”. 
CONCETTO DI STRESS 
Nasce dal contesto fisico, in base a una forza applicata su un materiale. La deformazione è la risposta del 
materiale su cui viene applicata la forza ed è in relazione con lo sforzo. Il rapporto forza/deformazione 
definisce il modulo elastico, ovvero la forza richiesta per produrre un’unità di cambiamento, è una misura 
della resistenza. 
Nel contesto biologico lo sforzo è la risposta che la pianta deve attuare per sostenere lo stress al quale è 
sottoposta. 
Nel momento in cui il sistema percepisce lo stress quest’ultimo risponde con lo sforzo; ad aumentare dello 
stress aumenta la risposta. La prima fase è quella elastica (il materiale si allontana dalla fase ottimale e può 
rispondere in modo più o meno intenso ma può ritornare allo stato iniziale), la seconda fase è detta plastica, 
dove si verificano i danni irreversibili al sistema. 
Nella fase elastica la pianta attuerà le risposte di contenimento del danno (strain), nel momento in cui il 
danno si è verificato la pianta deve gestirlo con altri meccanismi (riparazione molecolare), se invece il danno 
diventa irreversibile quest’ultima tende a morire. Spesso entra subito in fioritura e produce semi per garantire 
il proseguimento della vita dei suoi geni prima della morte. I danni (reversibili o irreversibili) si verificano solo 
nella fase plastica. 
In un sistema biologico ci sono diversi fattori che influiscono tra stress e sforzo (strain): 
• Tempo → Maggiore è il tempo di azione dello stress è più difficile sarà contrastarlo. 
• Meccanismi di riparazione → A seguito di danni irreversibili le piante hanno evoluto tali 
meccanismi (a livello cellulare e molecolare) per superare il danno subito. 
• Meccanismi di adattamento → L’adattamento è l’insieme di tutti i processi che consentono alla 
pianta di rispondere in maniera efficiente a tutte le condizioni avverse (crassulacee in ambienti aridi 
hanno sviluppato degli adattamenti che sono frutto di un’azione selettiva, esse hanno sviluppato 
adattamenti fisiologici e morfologici specifici). 
• Susseguirsi delle stagioni → Il cambio di stagione implica la variazione di diversi fattori ambientali, 
la percezione di tali variazioni richiedono l’attivazione di determinati processi di risposta da parte 
delle piante. I processi sono frutto di una regolazione a livello cellulare/molecolare legata alla 
percezione dei determinati stimoli ambientali, che nelle piante perenni sono meccanismi efficienti 
che consentono la vita in tutte le stagioni. 
• Stress multipli nello stesso momento → E’ una condizione molto frequente ed è quindi importante 
considerare l’ambiente in tutta la sua totalità. 
 
2L’hardening è associato a meccanismi fisiologici e molecolari propri della pianta che consentono alla stessa 
di rispondere e superare lo stress anche se esso è ancora presente; si tratta di un’elevata efficienza nella 
risposta. 
L’incremento dello stress permette di distinguere tre fasi distinte nel sistema, che sono correlate fra di loro. 
La prima è di allarme (meccanismi di percezione dello stress), la seconda è di resistenza (risposte più forti) 
e la terza è di esaurimento (danno e necessità di correre ai ripari e/o morte). Tanto più lo stress aumenta 
tanto più intenso sarà lo sforzo (strain); il perdurare di tale stress può portare la pianta alla tolleranza o al 
non contenimento dei danni. 
Le componenti caratterizzanti i meccanismi di risposta della pianta allo stress sono: 
• Meccanismi di prevenzione (avoidance) o allontanamento che prevengono lo stress. [Es: se la 
pianta cresce su un suolo ad elevata salinità può prendere il sodio che penetra nelle cellule e 
compartimentarlo nel vacuolo]. Se i meccanismi di avoidance sono efficaci la pianta sarà tollerante. 
• Meccanismi di difesa che permettono di migliorare lo stress, limitarne gli effetti e riparare gli 
eventuali danni. Le risposte di questo tipo includono quelle rapide (reversibili) connesse ai processi 
di omeostasi cellulare e di acclimatamento. I meccanismi di difesa sono sia specifici che a-
specifici (modificazione metabolismo). 
• Meccanismi di tolleranza veri e propri che permettono alla pianta di tollerare lo stress e di 
adattarsi geneticamente all’ambiente sfavorevole. La tolleranza vera si verifica in seguito a una 
pressione selettiva, che è ereditabile ed è un processo lento. La tolleranza si riferisce quindi 
all’adattamento. 
 
 
L’ADATTAMENTO è frutto di una pressione selettiva che ha portato ad avere dei meccanismi di risposta a 
determinate condizioni estreme in modo indiretto alla percezione dello stress (sono meccanismi consecutivi) 
L’ACCLIMATAMENTO si riferisce a tutte quelle risposte che la pianta induce per rispondere allo stress che 
viene percepito. Si riferisce alla fase elastica, a quella di allarme e a quella di resistenza. Sono meccanismi 
che permettono al metabolismo della cellula della pianta di modulare tutti i processi in modo tale da 
sopravvivere in quelle determinate condizioni. 
 
 
 
 
CONFRONTO TRA TRE MECCANISMI DI REGOLAZIONE IN FUNZIONE A DIVERSE PERTURBAZIONI 
AMBIENTALI 
 
A: REGOLAZIONE = Risposte che avvengono nella fase di allarme (percezione). Nei primi minuti la cellula 
risponde attraverso delle reazioni del metabolismo che permettono alla cellula di rispondere. Sono modifiche 
delle attività enzimatiche. Sono rapide e immediate.  
B: ACCLIMATAMENTO = Entra in gioco se lo stress persiste ed è meno rapido. Sono modifiche a livello 
delle proteine e dei metaboliti. Richiede una modulazione a livello molecolare e biochimico che porti a una 
diversa trascrizione genica, una diversa sintesi proteica. 
3Il Genoma [ADATTAMENTO] è l’insieme dei geni; l’RNA viene decodificato in proteine, quindi l’insieme delle 
proteine è il Proteoma; le proteine vanno a caratterizzare le attività enzimatiche [REGOLAZIONE]. Ciò porta 
al consumo e alla produzione di prodotti metabolici, i metaboliti che vanno a costituire la cellula o il tessuto in 
un determinato momento costituiscono il Metaboloma [ACCLIMATAMENTO, perché non serve più avere 
enzimi veloci ma devo avere una riprogrammazione dei geni trascritti, quindi richiede di lavorare a livello del 
Proteoma e di conseguenza a quello del Metaboloma].  
I geni che vengono indotti nelle prime fasi, a seguito di uno stress sono pochissimi, ma nella fase di 
acclimatamento sono molti di più, perché per mantenere alte le risposte è indispensabile mantenere una 
maggiore trascrizione genica. 
C: ADATTAMENTO = E’ un lavoro lungo diverse generazioni. Si sono verificate delle modifiche a livello del 
Genoma. Si sono sviluppate delle caratteristiche genomiche tali che permettono la trascrizione di geni utili e 
necessari a consentire la vita in un determinato ambiente in maniera consecutiva.  
 
Lo stress non è sempre un fenomeno negativo, si distinguono: 
• Eu-stress → A basse intensità di uno o più fattori di stress la performance della pianta può 
aumentare. È collegato al cross-protection. [Uno studente universitario regolare è in una condizione 
di eu-stress perché è “pre-allertato”] 
• Di-stress → Il persistere di fattori di stress può portare al diminuire della condizione metabolica 
ottimale raggiunta in fase di eu-stress. La pianta si allontana dalla sua fisiological normal type. 
 
CONCETTI DI BIOCHIMICA 
METABOLISMO 
PROCESSI ANABOLICI = Portano alla sintesi di sostanze  
PROCESSI CATABOLICI = Portano alla degradazione della sostanza organica  
Nel Metabolismo i processi maggiori riguardano quello Primario e Bioenergetico (processi volti al sostegno 
dei composti metabolici essenziali per la vita della cellula). Sono la Fotosintesi (nel cloroplasto), la 
Respirazione cellulare (nel mitocondrio) e la glicolisi (nel citosol). 
FOTOSINTESI 
A livello del cloroplasto si hanno sia la parte di cattura della luce, quindi di trasformazione dell’energia 
luminosa in energia chimica, sia il ciclo di Calvin, responsabile dell’organicazione della CO2. Nella prima fase 
della fissazione della CO2 agisce la RUBISCO.  
GLICOLISI 
La glicolisi è divisa in due parti. La prima è di investimento energetico dove il glucosio inizia ad essere 
demolito e segue una trasformazione che richiede ATP. Nella seconda fase le due molecole di gliceraldeide-
3-fosfato vengono trasformate in bifosfoglicerato e, con la sintesi di una molecola di ATP, in fosfoglicerato 
fino ad arrivare al piruvato dove si sintetizza altra ATP. Nella seconda fase viene ottenuta energia. Il 
piruvato, oltre che nella glicolisi, può essere anche utilizzato nelle vie fermentative che vengono 
attivate durante un deficit della respirazione mitocondriale che si verifica spesso in carenza di 
ossigeno.  
CICLO DI KREBS 
Il TCA è localizzato nella matrice mitocondriale, e grazie al piruvato consente di ottenere la sintesi di 
importanti metaboliti per l’intero metabolismo come il citrato, il fumarato, il malato l’ossalacetato. Vengono 
sintetizzati anche in determinate condizioni di stress e vengono rilasciati nel suolo perché hanno particolari 
funzioni. Il ciclo del TCA è importante per le capacità degli intermedi che possono essere trasportati dentro 
al mitocondrio e favorire il ciclo di Krebs e creare nuovi composti.  
4L’ossiglutarato è importante per la sintesi del Glutammato, un importante metabolita in relazione 
all’assimilazione dell’azoto e responsabile della sintesi dell’acido GABA (molecola segnale di risposta a uno 
stress). 
Il ciclo di Krebs è definito come tale perché entra una molecola che viene convertita in Acetil-Coenzima-A 
che si unisce all’ossalacetato a formare il Citrato, di conseguenza l’Isocitrato, l’ossoglutarato, il succinato, il 
fumarato, il malato e l’ossalacetato che è pronto per far ripartire il ciclo. Tuttavia, per le reazioni 
anaclerotiche è stato visto che il ciclo può avere delle reazioni lineari, non solo cicliche. Se ci sono delle parti 
bloccate le altre reazioni vengono mantenute perché i prodotti vanno a svolgere altre funzioni all’interno delle 
cellule. In carenza di alcuni elementi come ad esempio il ferro la parte sottostante alla formazione del citrato 
potrebbe svolgersi più lentamente perché a questo punto della catena agiscono due enzimi lenti. La carenza 
di ferro va a creare un rallentamento, nelle piante viene sintetizzato citrato e accumulato malato in grosse 
quantità perché il ciclo è passato da una modalità ciclica a una lineare in attesa di superare la condizione di 
stress. 
CATENA RESPIRATORIA  
Il TCA avviene a livello della matrice (parte più solubile) ma la catena respiratoria si trova sulla membrana 
interna del mitocondrio. Le NADH e le NADPH sono componenti esterne mentre le AOX sono interne e sono 
tutte di origine vegetale che permettono di mostrare un’alta flessibilità metabolica in funzione degli stimoli 
ambientali che percepiscono.  
La catena è formata dal Complesso 1, dall’SDH sulcinato-deidrogenasi (Complesso 2), i complessi 3, 4 e 
5, che sono i complessi che caratterizzano la catena di trasporto degli elettroni che sono presenti anche 
nelle cellule animali. A livello dei primi due complessi il potere riducente (NADPH) cede elettroni per essere 
trasferiti sul pool dell’ubichinone (UQ). Il sulcinato viene ridotto a fumarato. Successivamente gli elettroni 
vengono trasferiti nel complesso 3 che li trasferisce al citocromo c e, una volta arrivati al complesso 4 
vengono trasferiti all’ossigeno per formare acqua. Nei vari complessi vengono trasferiti i protoni nello spazio 
intermembrana, ma non vale per il complesso 2 (SDH). Il trasferimento di questi protoni va a creare un’alta 
concentrazione protonica nello spazio intermembrana che determinerà la forza motrice necessaria per la 
sintesi di ATP. Il Complesso 5 riequilibrerà il PH e la concentrazione protonica e determinerà la sintesi di 
ATP. 
Le cellule vegetali hanno la presenza di ossidasi alternative, ovvero proteine in grado di accettare elettroni 
dal pool dell’ubichinone e di trasferirli direttamente sull’ossigeno (non trasferisce protoni). E’ un’importante 
valvola di sfogo perché consente di avere modo di liberarsi di un eccesso di elettroni che potrebbe 
presentarsi all’inizio della catena e per evitare di coinvogliare troppi elettroni nel complesso 4 perché 
potrebbero crearsi delle specie reattive dell’ossigeno. Vengono indotte soprattutto quando viene inibito il 
complesso 1. 
Le NADPH idrogenasi reattive, che sono localizzate sia sulla superficie esterna della membrana interna 
che sulla superficie interna della membrana interna possono ossidarsi e utilizzare gli elettroni per 
coinvogliarli al pool dell’ubichinone. Nel momento in cui si verifica l’inibizione dei due complessi iniziali, la 
presenza di questi enzimi consente comunque il funzionamento della catena respiratoria.  
Le piante in quanto organismi sessili devono avere delle possibilità aggiuntive per rispondere ai fattori di 
stress. 
L’enzima del ciclo di Krebs che permette la trasformazione del succinato in fumarato è la succinato-
deidrogenasi (SDH → Complesso 2 della catena respiratoria). 
 
Il metabolismo primario, in particolare la glicolisi e il ciclo di Krebs è importantissimo come fonte di precursori 
per la sintesi di numerosi metaboliti che vanno a caratterizzare tutto il metabolismo. Anche il processo 
fotosintetico è fondamentale per la sintesi di metaboliti. 
[Destino piruvato in determinate condizioni di stress?] → Domanda 
5E’ un metabolita finale del processo glicolitico e, affinché tale processo venga mantenuto attivo, la prima via 
metabolica del piruvato è l’ingresso nel ciclo di Krebs ma se succede qualcosa a livello della respirazione 
mitocondriale quest’ultimo viene indirizzato in altri punti: 
• Se ho uno stress ambientale che colpisce il comparto mitocondriale si avrà un rallentamento 
sull’utilizzo del piruvato nel processo glicolitico. Se si deve mantenere attivo tale processo il piruvato 
può essere utilizzato in diverse vie metaboliche attivate in determinate condizioni ambientali. 
 
ULTRASTRUTTURA ORGANELLI 
Aspetto importante per i meccanismi fisiologici della pianta e i suoi meccanismi di acclimatamento nei 
confronti di un determinato stress ambientale. Capire come è fatto un cloroplasto e un mitocondrio facilita la 
comprensione delle risposte della pianta. Le membrane interne di tali organelli vengono modificate in 
determinate condizioni e ciò riflette l’attività metabolica specifica. 
L’ultrastruttura è una struttura sub-microscopica non visibile a livello del microscopio ottico, serve un 
microscopio elettronico a trasmissione. E’ uno strumento che permette di avere una risoluzione molto 
alta, caratterizza le alterazioni ultrastrutturali a livello cellulare e subcellulare. Essenzialmente ha come 
output un’immagine 2D del preparato. Per avere informazioni riguardo alle analisi, la preparazione dei 
campioni è molto particolare, serve prendere il tessuto e includerlo in resine in modo tale che le strutture 
siano ben evidenti. Si aggiungono poi degli elementi di contrasto che evidenziano le membrane e, 
soprattutto, per avere un’elevata risoluzione, è necessario fare delle sezioni molto sottili del preparato.  
[Es: immagini riguardanti cellule vegetali incluse da un tessuto fogliare; sono ben organizzate, la parte 
centrale è il vacuolo (circa 90% del volume) e tutte le altre strutture sono incluse tra la membrana del 
vacuolo, che è il cloroplasto, e la membrana del plasmalemma. Facendo un ingrandimento della zona 
evidenziata si vedono i cloroplasti (Ch) e i mitocondri (M). Si vede il confronto tra una pianta che cresce in 
condizioni normali e una che cresce in assenza di Ferro. L’ultrastruttura dei cloroplasti e dei mitocondri è 
diversa, la diversità sottende delle importanti risposte metaboliche e di acclimatazione] 
 
 
CLOROPLASTO 
Formato da un doppio strato di membrana (interna ed esterna). All’interno si distingue una parte più chiara 
liquida (stroma) che contiene un sistema di membrane detti tilacoidi che si possono organizzare in grana 
(impaccamento dei tilacoidi), indice molto importante che riflette dei cambiamenti fisiologici in funzione delle 
risposte ambientali. All’interno della membrana tilacoidale abbiamo il lume tilacoidale, anche in questo caso 
le variazioni metaboliche che avvengono al suo interno riflettono le risposte alle variazioni ambientali. Nello 
stroma sono disciolti gli enzimi che svolgono il ciclo di Calvin e altre proteine come i ribosomi e altre strutture 
come il DNA del cloroplasto. A livello tilacoidale sono presenti le proteine che invece caratterizzano la 
cattura della luce e il trasferimento elettronico dalla clorofilla in potere riducente. 
 
MITOCONDRIO 
Presentano una membrana esterna e una interna caratterizzata da numerose introflessioni che vanno a 
definire le creste mitocondriali. All’interno della membrana interna si ha la matrice mitocondriale dove sono 
disciolti gli enzimi che caratterizzano il ciclo di Krebs e sulla membrana interna sono invece presenti le 
proteine che caratterizzano il trasporto degli elettroni mitocondriali. Lo spazio intermembrana è importante 
per l’accumulo di protoni, quindi per il gradiente protonico necessario per creare l’ATP. Questa è la classica 
rappresentazione. 
 
Tuttavia, è stato osservato che non in tutti gli organismi si riscontra questa struttura (Baffle Model) perché 
spesso in alcuni casi l’ultrastruttura riportata non combacia, spesso si osserva un’altra struttura. 
6Si ha una membrana esterna, una membrana interna e delle strutture vescicolate (creste) che si connettono 
alla membrana interna tramite delle giunzioni. Questo modello è definito Crista Junction Model. In carenza 
di Ferro ci sono meno creste e le stesse hanno anche un volume più ristretto. Le alterazioni, associate ai dati 
metabolici, indicano una riduzione delle unità respiratorie e una limitazione del volume delle creste. Queste 
modulazioni ultrastrutturali, probabilmente, indicano la flessibilità dei mitocondri di adattarsi alla disponibilità 
di ferro che la pianta ha incontrato in quel momento. 
La caratterizzazione dell’ultrastruttura permette di individuare le risposte fisiologiche della pianta. 
 
COME LE PIANTE PERCEPISCONO LO STRESS 
Il meccanismo di percezione è una sfida per il futuro. A livello cellulare la percezione e l’attivazione delle 
risposte allo stress richiama dei meccanismi di un certo livello. 
La percezione avviene grazie a dei recettori posti sulla membrana esterna delle cellule che, per alcuni 
stress, sono stati identificati. Il meccanismo è la percezione dello stimolo, quindi il riconoscimento molecola 
esterna, con conseguente legame con essa che può modificare la struttura proteica/molecolare del 
recettore. La modificazione porta a un innesco di meccanismi per attuare le risposte allo stress. 
I segnali recepiti dai recettori vengono trasmessi attraverso delle molecole specifiche coinvolte in diversi 
stress. Ciò va a definire anche il sistema di amplificazione del segnale all’interno della cellula. Alcune 
molecole che vanno ad agire nel meccanismo di trasmissione del segnale sono il Ca
2+
 (essenziale per la 
pianta come nutrimento e importanza strutturale, il suo ruolo principale è la trasduzione del segnale) e le 
ROS (reactive Oxygen Species, che possono avere un effetto deleterio).  
CALCIO 
Il calcio è indispensabile per il completamento del ciclo vitale, non è sostituibile, però deve essere 
mantenuto a concentrazioni bassissime all’interno della cellula perché può legare gli ioni fosfato e farli 
precipitare come fosfati di calcio (molecola importante per la sintesi di composti energetici o le reazioni di 
fosforilazione). Per essere mantenuto a basse concentrazioni viene trasferito al di fuori della parete cellulare 
o all’interno del vacuolo. La bassa concentrazione significa che la pianta può utilizzare una piccola 
variazione di essa per segnalare che è entrato qualcosa di esterno nella cellula, ciò porta all’attivazione di 
risposte in condizioni di stress ambientali. La pianta, per attivare le risposte, fa entrare il calcio per 
aumentare la concentrazione in modo tale che seguano risposte come attivazioni metaboliche, attivazioni 
enzimatiche e regolazioni molecolari. Il calcio può essere trasferito all’interno della cellula ma i flussi di calcio 
sono anche a livello sub-cellulare (può essere trasferito anche nei mitocondri, nei cloroplasti e in altre zone). 
La dinamica del Ca è misurata attraverso dei biosensori che emettono fluorescenza quantificabile. Uno dei 
biosensori, espresso geneticamente, è il Cameleon che modifica il proprio colore in funzione di determinate 
condizioni. E’ costituito da due clorocromi con un ponte al quale sono legate proteine in grado di legare il 
calcio; nel momento in cui si ha una variazione di calcio si ha una modifica strutturale del biosensore e 
quindi a un trasferimento di energia che permette di emettere un rapporto di fluorescenza specifico e 
quantificabile. Questo biosensore permette le misurazioni in vivo. 
I tempi di risposta di trasduzione del segnale in un apice radicale sono stati visti fornendo ATP esterna, che 
induce il flusso di calcio a livello del Citosol. In pochissimi secondi si ha avuto un picco di fluorescenza (il 
calcio entra nel citosol delle cellule e attiva le risposte) per poi diminuire (svuotamento dal citosol). Lo stesso 
esperimento è fatto a livello mitocondriale, meno immediato rispetto al precedente perché il picco rimane per 
più tempo e lo stesso vale per lo svuotamento. Ciò significa che la dinamica del calcio a livello sub-cellulare 
si realizzano in maniera diversa. 
Strutturazione meccanismo di trasduzione mediato dal Calcio: 
Questi meccanismi sono comuni a diversi stress. Al fine di poter avere questo meccanismo sempre attivo è 
necessario avere una parte definita Componente ON che permette di trasferire il calcio nel citosol (o in altri 
organelli) per avviare le risposte, ma allo stesso tempo è necessario avere una Componente OFF per 
svuotare il citosol dal calcio e permettere alla cellula di poter ricevere altri stimoli.  
Sono state identificate numerose proteine che caratterizzano la componente on e quella off (non da sapere). 
7Una volta che il calcio entra nel citosol, grazie alla componente ON, esiste un sistema di proteine complesso 
in grado di decodificare e percepire le variazioni di calcio, nonché di attivare le risposte. Esse sono 
appartenenti ai sensori del calcio (Es: Calmodulina) e appartenenti agli effettori (si legano ai sensori ed 
effettuano una reazione di chinasi, in grado di fosforilare altre molecole, quindi trasferendo dei pirofosfati a 
delle proteine). La fosforilazione delle proteine è uno di quei meccanismi post-trasduzionale che permette 
l’attivazione o l’inibizione di alcune proteine e alcuni enzimi.  
 
ROS 
Si distinguono: 
• Forme non radicaliche → Perossido di Idrogeno H 2O 2 e Ossigeno Singoletto 
1
 O 2. Sono meno 
reattive ma possono dare origine a diverse reazioni ossidative. 
• Forme radicaliche → Anione radicale superossido O 2
-
, il Radicale Ossidrile OH e il Radicale 
Perossidrile O 2H. Sono molto reattive e innescano molto velocemente delle reazioni di ossidazione 
a catena deleterie per le molecole nella cellula (proteine, nucleotidi etc…). 
La reazione di Fenton si verifica quando ci sono dei radicali liberi all’interno della cellula, ad esempio 
aumenta la quantità di ferro libera (Fe
2+
), che può innescare reazioni particolari come la reazione con acqua 
ossigenata a formare radicale ossidrilico che può portare alla formazione di tutte le reazioni a catena di 
stress ossidativo. La reazione di Fenton verrà vista più in dettaglio nella parte di stress da metalli pesanti. 
L’acqua ossigenata può formarsi dalle altre specie dell’ossigeno reattive radicaliche perché la pianta 
trasforma le specie più pericolose in una forma meno impattante come l’acqua ossigenata. Il legame tra ferro 
e ossigeno è antico ed ha permesso di cambiare la chimica del ferro in maniera importante (aerobiosi). 
Questa relazione è un aspetto molto importante per la biochimica di tutte le reazioni che avvengono nella 
pianta.  
Le ROS vengono prodotte in diverse parti della cellula. A livello del plasmolemma esistono delle proteine 
che possono formarle e, reazioni come queste, sono molto utili nel momento in cui la pianta va incontro a un 
attacco da parte di un agente patogeno in modo da indurre le ROS al patogeno stesso. 
Si possono formare a livello citosolico, a livello del cloroplasto e a livello del mitocondrio (perché in questi 
due comparti cellulari avvengono reazioni di trasferimento elettronico come la fotosintesi e la respirazione 
cellulare, dove variazioni dell’efficienza di trasporto elettronico possono formare le ROS). Possono formarsi 
sia all’interno che all’esterno della cellula, attraverso il metabolismo.  
Le ROS si formano quindi normalmente nella cellula e possono avvenire in qualsiasi momento, la cellula ha 
quindi dei meccanismi di difesa nei loro confronti, quelli di detossificazione, il problema si riscontra quando 
vengono prodotte in quantità tali da superare il contenimento da parte della pianta. La loro produzione, in 
condizioni controllate, può essere percepita dalla cellula come una molecola segnale per l’attivazione di 
determinate risposte. La loro presenza può essere sia una molecola segnale, sia un danno (ad esempio se 
c’è del ferro libero) non contenibile dai meccanismi di scavenging. Per il ferro libero esistono dei 
meccanismi di difesa, detti di sequestro, attraverso delle molecole come la ferritina (in grado di legare fino 
a quattro molecole di ferro).  
Sia il segnale sia le risposte possono essere usate come modi per superare la situazione di stress ossidativo 
nella cellula o possono coincidere con l’attivazione delle risposte che portano alla morte programmata 
cellulare (PCD). L’attivazione necessita la presenza di molecole segnale nella cellula; l’accumulo eccessivo 
dei ROS porta l’attivazione di tali molecole e quindi alla morte cellulare, con conseguente formazione di 
zone necrotiche. Il danno meccanico porta a ciò. 
Meccanismi di scavenging: 
La cellula tiene sotto controllo la formazione dei ROS per evitare danni, attraverso: 
• Componente enzimatica = Sintesi enzimi antiossidanti come Superossido Dismutasi, Perossidasi e 
Catalasi, che trasformano le ROS in acqua ossigenata 
• Componente metabolitica = Sintesi di metaboliti antiossidanti come Glutatione (GSH) e Ascorbato 
(ASC) che svolgono un ruolo chiave nel contenimento del livello di ROS nella cellula. 
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Il materiale genetico è prevalentemente presente nel nucleo, ma sia i cloroplasti che i mitocondri hanno i loro 
DNA, ciò ha portato alla comunicazione tra i tre diversi genomi. Sia i cloroplasti che i mitocondri possono 
sintetizzare dei geni in risposta a determinati stimoli; serve un meccanismo di coordinazione tra nucleo, 
mitocondrio e cloroplasto che permette di coordinare la trascrizione dei geni in funzione delle diverse 
condizioni ambientali. Il nucleo, una volta percepito lo stimolo, può inviare dei segnali che permettono di 
regolare i meccanismi di sintesi dei cloroplasti e dei mitocondri, questa direzione di segnale è definita 
Anterograda. Tuttavia, gli stessi organelli possono inviare segnali al nucleo, meccanismo detto Retrogrado.  
 
I meccanismi di regolazione delle piante avvengono a diversi livelli: 
• RNA → I geni presente a livello del genoma devono essere trascritti in un determinato modo in 
funzione delle richieste della pianta, stabilite in funzione degli stimoli che essa riceve. 
• Proteico → Le modificazioni subite dalle proteine, le post-trasduzionali, possono essere diverse in 
quanto vengono legate altre molecole come il fosfato, che porta l’indirizzamento delle proteine in 
determinati processi metabolici.  
• Enzimatico → Caratterizza le prime fasi di allarme (regolazione omeostatica), dipendono dalle 
variazioni subite dalla cellula, come di PH, di substrati, dalla presenza di attivatori e/o inibitori o di 
cofattori che permettono l’aumento dell’attività catalitica da parte dell’enzima (Zolfo, Ferro, Rame 
etc…).  
Il livello di regolazione cambia a seconda della complessità dello stimolo e a seconda della fase (allarme, 
resistenza etc…). Guardare le slide a riguardo. 
 
 
STRESS DA LUCE 
Processo fotosintetico (Ripassare): Nel cloroplasto avviene la trasformazione dell’energia luminosa in 
energia chimica e viene prodotto ossigeno, utilizzato dalla respirazione mitocondriale che utilizza i prodotti 
sintetizzati dalla glicolisi (Piruvato) per produrre la CO2 utilizzata dal processo fotosintetico. I Plastochinoni 
effettuano un ciclo coinvolto nel trasferimento degli elettroni, sono presenti i due Fotosistemi, la 
plastocianina e il complesso ATP-sintasi che sfrutta il gradiente protonico. I fotosistemi sono i centri dove 
avviene la captazione dei fotoni che determina la variazione dello stato energetico dei pigmenti ad essi 
associati, le clorofille, che una volta eccitate permettono di ridurre gli accettori associati al Fotosistema 2, i 
Plastochinoni che possono trasferire gli elettroni al Citocromo b6f che li trasferisce a sua volta alle 
Plastocianine (mobili nel lume tilacoidale) che porterà gli elettroni al Fotosistema 1. Gli elettroni vengono 
trasferiti infine all’accettore finale, il NADP che diventa NADPH. Il gap elettronico che si viene a generare 
nelle clorofille del Fotosistema 2 viene recuperato dalla reazione di un complesso enzimatico che evolve 
l’ossigeno, in grado di catalizzare la fotolisi dell’acqua (ossidazione dell’acqua) e da esso viene liberato 
ossigeno e protoni nel lume tilacoidale (anche dal blastochinone e dal citocromo b6f). L’accumulo di protoni 
a livello tilacoidale genera la forza motrice utilizzato dall’ATP-sintasi per la produzione di ATP. I prodotti 
sono quindi ATP e NADPH.  
I Fotosistemi 2 sono localizzati nella zona appressata dei grana, non vale per i Fotosistemi 1, perché la parte 
non appressata dei grana, direttamente a contatto con lo stroma (dove sono presenti gli enzimi del ciclo di 
Calvin, responsabile dell’organicazione della CO2, ovvero il suo inserimento nei composti organici). L’ATP e 
il NAPH devono essere facilmente accessibili a questi enzimi perché servono per il processo di Calvin. La 
localizzazione dei Fotosistemi è importante anche per le risposte delle piante a livello ultrastrutturale in base 
alle variazioni.  
Il NADPH accumula il potere riducente che può essere usato nelle reazioni di ossido riduzione. Affinché 
avvenga il trasferimento elettronico è importante che gli accettori si trovino nella forma ossidata, non in 
quella ridotta, perché altrimenti gli elettroni devono essere scaricati in altre molecole o in altri sistemi; ciò 
significa che un rallentamento del ciclo di Calvin coincide con l’attesa che gli accettori tornino in forma 
ossidata. E’ valido sia per gli accettori finali che per quelli intermedi. 
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Lo spettro luminoso utile per le piante va dai 400 ai 700 nm, con due picchi tra i 450 e i 580 nm e tra i 640 e i 
680 nm. Le tipologie di pigmenti clorofille presenti nelle piante sono la A e la B. Nella pianta ci sono altri 
importanti pigmenti come i carotenoidi, importanti perché costituiscono dei pigmenti accessori antenna e 
tutelano il sistema da possibili eccessi di luce. Lo spettro utilizzabile e utile per il processo fotosintetico è 
definito PAR (radiazione fotosintetica attiva).  
 
Esiste una relazione tra la quantità di luce 
e la fotosintesi netta (quantità di moli di 
CO2 fissate e organicate con il ciclo di 
Calvin). E’ lineare solo a basse quantità di 
luce, perché si ha linearità tra quantità di 
fotoni assorbiti e di CO2 fissata; la linearità 
non è mantenuta a tutte le radiazioni 
luminose perché man mano che aumenta 
la PAR la fotosintesi netta si distacca in 
quanto appena si supera la linearità la 
quantità di fotoni assorbiti non corrisponde 
alla quantità di CO2 fissata. L’intercetta 
della Y (tasso di respirazione al buio) e 
l’intercetta della X (punto di 
compensazione della luce) sono concetti 
che si affronteranno più avanti. 
L’aumentare della luce porta quindi a 
un rallentamento della CO 2 fissata.  
Un eccesso di luce incide sulla funzionalità del Fotosistema 2, il più soggetto a fenomeni di danneggiamento 
e, per questo motivo, le piante hanno evoluto dei sistemi di riparazione. L’eccessiva esposizione alla luce 
porta all’instaurarsi delle reazioni definite di Fotoinibizione.  
Fotosistema 2 → Costituito da complessi proteici esterni (Light Harvesting complex - LHC) di raccolta 
della luce che la trasferiscono verso il centro di reazione, che si trova nella parte più centrale. In questo 
Fotosistema sono presenti pigmenti quali clorofille e carotenoidi e si trova l’Oxygen Evolving Complex 
(ossidazione dell’acqua). Ci sono poi delle proteine D1, associate al centro di reazione, importanti perché 
subiscono i meccanismi di riparazione.  
La raccolta della luce avviene grazie ai pigmenti antenna, associati agli LHC, che raccolgono il fotone e lo 
convogliano verso il centro di reazione. L’energia permette alle clorofille del centro di reazione di passare a 
degli stadi energetici superiori e possono trasferire la loro energia (elettroni) verso la molecola accettrice 
Plastochinone. Affinché le clorofille possano trasferire in maniera continuativa l’energia al pool del 
Plastochinone è indispensabile che tale molecola sia sempre in forma ossidata. Una volta trasferita l’energia 
le clorofille ritornano allo stadio energetico iniziale. 
Nei Fotosistemi, quando si ritrovano in una condizione in cui il livello energetico maggiore delle clorofille non 
riesce ad essere scaricato sul Plastochinone, le clorofille devono comunque tornare al livello energetico 
inferiore in qualche modo. Le vie che i pigmenti possono utilizzare sono diverse: 
• Fotochemistry → Via classica della fotosintesi, è il trasferimento elettronico, tutti gli accettori 
devono essere in forma ossidata. La reazione fotochimica viene attivata nel momento in cui si 
possono trasferire gli elettroni in tutti i passaggi [Photochemical Quencing]. Se avvengono dei 
rallentamenti, accade spesso, le clorofille utilizzano altre reazioni.  
• Emissione di fluorescenza → Le clorofille emettono luce a lunghezze d’onda diverse rispetto ai 
fotoni assorbiti; le emissioni di luce sottoforma di fluorescenza permette ad esse di tornare allo stato 
basale. Questa emissione non può essere tradotta in energia chimica, viene persa [Non 
photochemical quencing]. La fluorescenza emessa può essere misurata per ricavare informazioni 
sulla funzionalità dei fotosistemi e dell’apparato fotosintetico, al fine di capire come le condizioni 
ambientali stiano incidendo sulla pianta in questione. 
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