Effetti del nitrato sull’assimilazione dell’ammonio in piante di mais (Zea mays L.)

L'azoto (N) è il nutriente minerale più abbondante nei tessuti vegetali e le forme chimiche di N principalmente assorbite e utilizzate dalle piante sono l'ammonio (NH4+) e il nitrato (NO3-). Tra queste il NO3- rappresenta la forma generalmente prevalente nei suoli agrari, tuttavia le formulazioni contenenti NH4+ sono anch’esse ampiamente utilizzate in agricoltura ai fini della fertilizzazione. Un aspetto interessante della nutrizione azotata nelle specie di interesse agrario consiste nell’effetto sinergico quando i due minerali vengono forniti contemporaneamente. Infatti, se da una parte la somministrazione di NH4+ come unica fonte azotata può causare effetti di tossicità, la co-presenza di NO3- nel mezzo di crescita, oltre ad alleviare tali effetti, ha anche un effetto di promozione del tasso di crescita della pianta, con incrementi fino al 40%-70%.
Il mais (Zea mays L.) è tra i cereali più importanti al mondo e, al fine di garantire un’elevata produzione, la sua coltivazione richiede elevati apporti di fertilizzanti azotati. In questo contesto lo studio delle interazioni metaboliche tra le due forme di N, costituisce uno strumento utile per la comprensione dei meccanismi che contribuiscono alle risposte della pianta a differenti condizioni nutrizionali e come supporto per il miglioramento genetico del mais.
L'obiettivo di questo lavoro è stato lo studio biochimico degli effetti legati alla presenza e all'assimilazione del NO3+ sul metabolismo dell'NH4+. A tale scopo sono state utilizzate piante di mais della linea pura T250, che erano state allevate con uno schema sperimentale che prevedeva, dopo una prima fase di germinazione di 3 giorni, la crescita delle piante in sistema idroponico in una soluzione nutritiva priva di azoto. Le piante venivano mantenute in questa condizione per i primi 5 giorni, in modo da ridurre le riserve di azoto contenute nelle cariossidi. Successivamente le piante venivano trasferite per le ultime 30 h in soluzioni nutritive caratterizzate da diverse composizioni azotate: NH4+ 2 mM, NH4+ 4 mM, NH4+ 2 mM + NO3- 2 mM, NH4+ 2 mM + NO3- 2 mM + tungsteno (W) 100 M, un analogo del molibdeno in grado di inibire l’attività dell’enzima nitrato reduttasi (NR). Inizialmente sono stati valutati lo stato nutrizionale e fisiologico delle piante sottoposte alle quattro condizioni sperimentali, mediante la determinazione delle concentrazioni di NO3- e NH4+ negli organi delle piante (radici, xilema e foglie) e dei flussi nello xilema. Successivamente sono stati valutati nelle radici l'accumulo e l'attività specifica degli enzimi coinvolti nell’assimilazione dell'azoto, i livelli di zuccheri riducenti e saccarosio, l'attività specifica di alcuni enzimi glicolitici, il consumo di O2 e le concentrazioni di alcuni metaboliti, fra cui l’adenosina trifosfato (ATP). Infine, per valutare gli effetti sul bilanciamento metabolico è stata determinata la speciazione dei principali amminoacidi nei vari organi della pianta.
In primo luogo, i risultati confermavano l'efficacia delle condizioni sperimentali sia riguardo l’inibizione del W sulla NR, sia per l'assenza di sintomi evidenti di tossicità alle elevate concentrazioni di NH4+. Inoltre, i risultati ottenuti permettevano di evidenziare diversi punti di interazione del NO3- sul metabolismo dell’NH4+. In particolare, il minor accumulo di NH4+ nelle radici cresciute in co-presenza di NO3-, coincidendo con un maggiore flusso xilematico, suggeriva una promozione dell'effetto traslocativo del catione da parte dell'NO3-. Allo stesso tempo, il maggiore accumulo degli enzimi plastidiali glutammina sintetasi 2 e glutammina-oxoglutarato amminotransferasi ferredossina-dipendente, suggeriva che l’attivazione di queste vie in presenza di NO3-, contribuisce ad incrementare la capacità di assimilazione radicale dell’NH4+. Inoltre, le maggiori concentrazioni di ATP nelle piante in cui avveniva l'assimilazione del NO3-, non essendo associate ad un incremento della fosfofruttochinasi e della piruvato chinasi, indicavano che la co-presenza di NO3- permette un migliore bilanciamento energetico nelle radici, probabilmente attraverso vie alternative alla glicolisi. Infine, la speciazione amminoacidica nei diversi organi indicava che in presenza di NO3- l’incremento della biosintesi e della traslocazione di alcuni amminoacidi, fra cui la alanina, sia un ulteriore risposta che contribuisce alla sinergia nutrizionale dei due minerali azotati.