RASCHKE (1976) ―Agli stomi è stato affidato il compito di fornire il
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Stomi Principale strumento di controllo della traspirazione RASCHKE (1976) ―Agli stomi è stato affidato il compito di fornire il cibo mentre impediscono la sete‖ Fotosintesi-traspirazione “Paradosso” o “Compromesso” 1 Equazione per la fotosintesi CO2 + H2O (CH2O) n + O2 Questa equazione suggerisce: •Gas, come CO2 e O2, sono importanti nel metabolismo energetico della pianta; • Le piante devono scambiare i gas con l’ambiente; e • Per ottenere CO2 devono necessariamente perdere H2O (traspirare). Quindi, la traspirazione è un “danno” necessario della fotosintesi. Considerazioni teoriche: •E’ necessaria una grande area superficiale per un efficiente scambio gassoso; • Una grande area superficiale offre una grande superficie di disidratazione; •Ridurre la disidratazione vuol dire porre all’interno dell’organismo la superficie di assorbimento e quindi la superficie di scambio gassoso; • Traspirazione/Fotosintesi - Paradosso/Compromesso: Paradosso: Per ottenere CO2 per la fotosintesi, le piante devono evolvere larghe e sottili superfici e proteggerle dalla disidratazione Compromesso: tra la quantità di CO2 assorbita e la quantità di H2O persa per 2 traspirazione Complicazioni: •La tendenza di perdere H2O è più grande della tendenza della CO2 a diffondere nella pianta Traspiration ratio = mol water transpired /mol CO 2 fixed Questo rapporto è uguale a 200 cioè circa 200 Kg di H2O traspirata / 1Kg di biomassa prodotta Perché? • Diffusione = gradiente / resistenza A parità di resistenza per CO2 e H2O, il gradiente per queste molecole non è lo stesso, il gradiente CO2 est/int è circa 0.36 mmol mol -1 quello per l’H2O è 32 •Diffusione e peso molecolare Basandosi sul peso molecolare, la tendenza dell’H2O di diffondere fuori dalla foglia è 1.56 volte più grande della CO2 a diffondere all’interno della foglia Compromesso regolato dagli stomi Essi devono quindi : Garantire una via aperta per l’assorbimento di CO2 e preservare la pianta da una perdita eccessiva di H2O 3 Caratteristiche speciespecifiche • Numero •Disposizione •Taglia •Forma •Mobilità Stomata typical of dicots Stomata typical of monocots Potato (Solanum) Maize (Zea) 4 begonia banana 5 Adattamenti strutturali per ridurre la traspirazione Cripta stomatica Peli radicali Quercus sp Cycas sp Oleander 6 cripta stomatica Banksia sp 7 •Due cellule di guardia Complesso stomatico • Rima stomatica •Cellule sussidiarie Cellule di guardia Presenti nelle foglie di tutte le piante vascolari e negli organi di piante più primitive (muschi, epatiche) A manubrio di ginnasta con parti terminali bulbose Graminacee e poche monocotiledoni (palme) diversità morfologica Reniformi Dicotiledoni e altre monocotiledoni 8 Le cellule di guardia sono cellule affiancate e senza connessioni citoplasmatiche Cellule epidermiche specializzate che circondano la rima stomatica Caratteristiche delle cellule di guardia •piccoli cloroplasti •Tracce di Rubisco Scarsa fissazione della CO2 La fotosintesi potrebbe costituire un sensore per la CO2 Sono strutturate in modo da poter determinare con il loro rigonfiamento e svuotamento apertura e chiusura dello stoma Mezzo principale di regolazione degli scambi gassosi “ valvole di turgore‖ 9 Porzioni di pareti differenzialmente ispessite (5 µm) Caratteristiche strutturali della parete delle cellule di guardia Micellazione radiale delle microfibrille di cellulosa Maggiore ispessimento in quella parte di parete che delimita la rima stomatica Permette alla cellula di guardia, assorbendo H2O ed espandendosi, di accrescersi in lunghezza e non in diametro Sembra più importante 10 dell’ispessimento delle pareti Rima stomatica Cellule sussidiarie o compagne È rappresentata da una lunga fenditura che separa le due porzioni mediane delle cellule di guardia Cellule epidermiche differenziate Aiutano le cellule di guardia a controllare le aperture stomatiche Sono spesso assenti in specie con stomi reniforme e sostituite da semplici cellule epidermiche 11 Stomi: struttura ideale per regolare gli scambi gassosi •Molti sono i pori sulla superficie delle piante; •I pori comprendono una larga area della superficie di una pianta; •I pori sono piccoli; •I pori sono perfettamente distribuiti; •I pori sono perfettamente localizzati; •Il grado di apertura/chiusura dei pori è strettamente regolato in risposta a condizioni ambientali. 12 2000-6000 stomi per cm2 = 2-3 % della superficie fogliare Localizzati spesso solo nella pagina inferiore della foglia ma in molte specie anche su ambedue le pagine Da Meidner e Mansfield, 1968 13 Diffusion from a "Standard Leaf" Supplied by Dr. Paul Birnberg. Quanto più piccolo è il poro, tanto più alta è l’efficienza di diffusione per unità di superficie 14 Le molecole di gas diffondono attraverso il poro formando Conchiglie di diffusione Vapore d’H2O diffonde attraverso gli stomi in tutte le direzioni andando ad occupare superfici non munite di stomi Il paradosso dei pori Questo mantiene sempre ripido il gradiente di pressione di vapore fra l’interno e l’esterno della foglia 15 Ha lo strato di diffusione più breve Il gradiente di concentrazione più ripido La conduttività dipende: •Dalla distanza che le molecole di H2O devono compiere per diffondere (strato di diffusione) •Dall’aria di scambio (superficie poro) Se la distanza fra i pori è inferiore allo spessore dei loro strati di diffusione, le emisfere centrate sui pori si sovrapporranno e formeranno uno strato di diffusione unico. 16 Schema di apertura stomatica (1) Stomi chiusi (cellula di guardia flaccide) Ingresso di H2O dalle cellule sussidiarie Incremento della pressione Stomi aperti (cellula di guardia turgide) 17 Cellule di guardia, Ψ1= -3,5 MPa Cellule sussidiarie, Ψ2= -1,5 MPa 1 2 3,5 1,5 2,0MPa diminuzione del Ψw nelle cellule di guardia dovuta ad una diminuzione del Ψs Stoma chiuso Ψs -1,9 MPa Stoma aperto Ψs -3,5 MPa Richiamo d’H2O nelle cellule di guardia dalle cellule sussidiarie adiacenti 18 Aumenta pressione di turgore Ψp e compensa il minore Ψs Stoma aperto 3-12 µm di larghezza e 10-40 µm di lunghezza Aumento del volume da 40 a 100 % a seconda della specie l’incremento di volume nelle cellule di guardia è dovuto all’aumento della concentrazione di soluti nel succo cellulare Schema di apertura stomatica (2) Stomi chiusi Aggiunta di soluti Riduzione del Ψs (cellula di guardia flaccide) Riduzione del Ψw Ingresso di H2O Incremento della pressione Stomi aperti (cellula di guardia turgide) 19 Quali soluti e da dove vengono ? Ipotesi amido-zucchero (1908) La quantità di amido diminuiva durante l’apertura stomatica, la sua idrolisi in zuccheri solubili erano responsabili della diminuzione del Ψs e dell’apertura stomatica. A stomi chiusi l’amido era sintetizzato ed il destino dello zucchero non era chiaro: era utilizzato come substrato per la respirazione oppure estruso nell’apoplasto. Quest’ipotesi fu abbandonato con la scoperta del K+. Il saccarosio delle cellule di guardia diventa il soluto osmoticamente attivo dominante a seguito dell’efflusso di K+ Apertura giornaliera all’alba associata primariamente ad accumulo di K+ Chiusura associata primariamente a diminuzione di saccarosio 20 K+ agente osmotico primario Trasporto di Ioni K+ dalle cellule sussidiarie alle cellule di guardia 0,5 M K+sono sufficienti a far diminuire il Ψs di circa 2 MPa Esperimenti su cellule di guardia di Vicia faba prive di cellule sussidiarie mostrano che le cellule di guardia si aprono solo se alla soluzione è aggiunto K+ 21 In alcune specie (Allium cepa) il flusso di K+ è accompagnato da ClEntra per bilanciare elettricamente l’ingresso del K+ e fuoriesce con il K+ In altre specie lo ione K+ è neutralizzato dallo ione malato2Deriva dall’idrolisi dell’amido contenuto nei cloroplasti delle cellule di guardia Le proporzioni di Cl- e malato2-per bilanciare gli ioni K+dipendono dalle condizioni ambientali In cella climatica: malato2In serra: Cl22 Schema di apertura stomatica (3) stoma chiuso (GC flaccide) → saccarosio/potassio/malato/cloro → basso Ψs → riduzione Ψw → ingresso H2O (osmosi) → aumento pressione → stoma aperto (GC turgide) Per chiudere stoma, processo inverso Comunque, poiché l’assorbimento del potassio è associato con l’apertura degli stomi nella mattina, mentre la perdita di saccarosio è maggiormente associata con la chiusura nel pomeriggio Schema di apertura stomatica finale (giorno/notte) stoma chiuso (GC flaccide) → assorbimento potassio e cloro, sintesi malato → basso Ψs → riduzione Ψw → assorbimento H2O (osmosi) dalle cellule sussidiarie → aumento di pressione → stoma aperto (GC turgide) → ||||| → riduzione saccarosio (potassio, cloro, malato) → Ψs aumento → Ψw aumento → perdita H 2O → riduzione pressione → stoma aperto(GC flaccide) 23 CELL WALL MEMBRANE Gas Exhange (e) Stomatal swelling A. Guard-cell symplast accumulate solutes from guardcell apoplast. B. Water flows into guard cells osmotically. C. Radial micellation of cellulose microfibrils prevents increase of cell diameter. E. Water influx increases pressure, but water is incompressible, so guard-cell volume increases. The increase results from stretching of the dorsal wall. D. Inner wall is strong and cannot be stretched. 24 Qual’ è il meccanismo del flusso degli ioni K + e Cl- e malato2- ? Accumulo di K+ cellule di guardia Aumento di pH Cellule sussidiarie Esterne Terminale Epidermiche si comportano all’opposto 25 Uso sperimentale delle luci blu e rossa per studiare le vie osmoregolative associate ai movimenti stomatici Attivazione H+-ATPasi Estrude protoni H+ Δ pH Em Forza proton motrice ―pmf‖ Forza guida per il trasporto passivo secondario del K+ attraverso canali regolati dal voltaggio 26 Ingresso di K+ Fuoriuscita di H+ Alcalinizzazione del citoplasma Gradiente di pH 0,5-1 unità pH alcalino attiva l’enzima PEPc citoplasma Simporto H+- Cl- Favorisce la produzione di acidi organici per le specie che utilizzano il malato come controione E’ stato recentemente evidenziato che l’influsso di K+ potrebbe essere anche energizzato da un simporto H+- K+ ad alta affinità Apertura stomi: Processo attivo che necessita di ATP per il funzionamento della pompa protonica Respirazione Fosforilazione fotosintetica 27 Gas Exchange (g) Ion Transport—stomatal opening Proton extrusion makes membrane potential (MP) more negative and acidifies apoplast. Water influx Potassium uptake. Thermodynamics: MP Mechanism: MP & wall acidification activate the Kin channel Inside cell Membrane 28 Gas Exchange (j) Ion Transport—stomatal closing A. Anion efflux shifts the membrane potential to a less negative position. B. Potassium efflux. Thermodynamics: MP Mechanism: MP the Kout channel Inside cell activates Membrane 29 Fattori di controllo/regolazione della funzionalità delle cellule di guardia • Intensità e qualità della luce le cellule di guardia funzionano come valvole idrauliche sensibili a molteplici fattori ambientali • Concentrazioni intracellulari di CO2 •Ormoni •Temperatura •Umidità relativa •Vento Luce Segnale ambientale dominante che controlla i movimenti stomatici In generale: luce = apertura; buio = chiusura (tranne per le piante CAM) 30 Regolazione temporale delle aperture stomatiche piante C3 –C4 Apertura alle prime luci dell’alba Chiusura al tramonto Favorisce la fotosintesi spesso a spese di un’elevata traspirazione Previene inutile perdita di H2O Gli stomi si aprono non appena i flussi fotonici incidenti aumentano e viceversa Giorno Notte Questo deve interfacciarsi con la disponibilità di H2O 31 Buona disponibilità idrica ( zone temperate, caldo-umide) Scarsa disponibilità idrica ( zone calde o mattinate molto calde) Piante CAM Pianta scambia H2O per i prodotti della fotosintesi senza disidratarsi con gli stomi aperti durante la mattinata per permettere un’efficiente fotosintesi Stomi si apriranno di meno o addirittura resteranno chiusi Piante adattate al deserto con fotosintesi CAM, gli stomi sono aperti di notte e chiusi di giorno Questo permette a queste piante di mantenere basso il rapporto di traspirazione Piante C3 = 500 Piante C4 = 250 Moli di H2O traspirata Moli di CO2 assorbita Piante CAM = 50 Significato ecofisiologico 32 Aumento di flussi fotonici incidenti Radiazione fotosinteticamente attiva (400-700 nm) Stomi aperti Intensità minima per apertura stomi Da 1/1000 a 1/30 della piena luce solare effetto indiretto della luce + luce + fotosintesi + consumo di CO2 33 Esiste una risposta specifica della luce Espressione di due sistemi di fotorecettori distinti Dipendente dalla fotosintesi delle cellule di guardia (luce rossa) Guidata da una risposta alla luce blu Componente non fotosintetica Luce blu Luce rossa •Meccanismo on-off •Attivazione molto veloce •Meno efficiente •Tempo di latenza 25sec •Pochi minuti per max velocità •15 volte più efficiente Rigonfiamento delle cellule di guardia e apertura stomatica 34 Luce blu Luce rossa Illuminazione solare luce rossa e/o luce blu zeaxantina Attivazione pompa H+-ATPasi È modulata dal cloroplasto delle cellule di guardia Bloccato da inibitori della fotosintesi Stimolazione differenziale di carotenoidi e clorofille selettivamente eccitati dall’eccitazione di questi pigmenti si attivano vie di regolazioni 35 O2 Basso livello di O2 stimola apertura degli stomi CO2 Pressione parziale di CO2 negli spazi intercellulari del mesofillo fogliare Ogni fattore ambientale che aumenta la velocità di fotosintesi Consumo di CO2 e quindi abbassamento della pCO2 interna Bassa pCO2 interna Apertura degli stomi A bassi livelli di irradianza la pCO2 interna può costituire il principale fattore di controllo ma ad alti livelli di irradianza più importante è il ruolo della luce 36 37 H2O Proteggere contro un’eccessiva perdita di H2O Ci sono due meccanismi attraverso i quali la perdita di H2O regola la chiusura stomatica, uno passivo ed uno attivo. •Controllo idropassivo – Una semplice riduzione di turgore (fogliare – cellule di guardia), dovuta a perdita di H2O, che porta alla chiusura che deterrmina la chiusura dello stoma. La pianta non sta “intenzionalmente” chiudendo lo stoma, ma è una semplice conseguenza della siccità. •Controllo idroattivo – questo meccanismo è uno col quale la pianta realmente sembra monitorare il suo stato idrico. Quando il Ψw cade sotto il valore critico, si innescano una cascata di eventi che determinano la chiusura degli stomi. Presumibilmente la pianta sta misurando la pressione (turgore)e quindi sintetizza e rilascia un “antitraspirante‖ che è traslocato verso le cellule di guardia per determinare la chiusura. 38 Acido Abscissico ABA Ormone che controlla la chiusura degli stomi ABA è sintetizzato a livelli bassi continuamente nelle cellule del mesofillo e accumulato principalmente nei cloroplasti In condizioni di stress idrico Concentrazioni da 7 a 13 µM aumenta di circa 50 volte 39 ABA Gli stomi si chiudono quando il Ψw fogliare decresce… 40 Chiusura dello stoma è associata con un incremento di contenuto di ABA No H2O Maize leaves No H2O ABA sembra coinvolto nella chiusura degli stomi anche prima che si crei una variazione nello stato idrico fogliare 41 42 43 ABA prodotto nelle radici disidratate degli starti superiori del suolo e trasportato nelle foglie può rendere capaci le piante di “anticipare” la condizione di stress idrico e indurre la chiusura degli stomi (feed forward response). Ri-distribuzione dell’ABA dallo xilema durante lo stress idrico 44 Gas Exchange ion transport—ABA action ABA Prodotto nelle radici e trasportato nelle foglie, o prodotto dalle stesse foglie o dalle cellule di guardia Attiva i flussi primari di Ca++ • inibisce la pompa protonica • inibisce fuoriuscita di H+ •depolarizzazione della membrana Inside cell ABA activates the Kout channel via cytosolic alkalinization. • blocca canali ingresso di K+ • favorisce canali di uscita di K + Membrane Modified from Outlaw WH, Jr. Integration of cellular and physiological 45 functions of guard cells. CRC Crit Rev Plant Sci 22: 503-529 Stato di siccità del suolo e disidratazione parziale del sistema radicale è necessario stress idrico fogliare ? “sistema di allarme precoce” Traslocazione dell’ABA dalle radici al germoglio attraverso il flusso traspiratorio Chiusura degli stomi Auxine-citochinine fusicoccina Apertura degli stomi Attiva pompa H+-ATPasi Azione dei diserbanti di tipo auxinico Variano da una specie all’altra •Soglia •Rapidità •modo di risposta Variano nell’ambito della stessa specie Variano con il grado di adattamento all’ambiente Nell’ambito della stessa foglia (età, condizione 46 di sviluppo, posizione del germoglio)
