14) Ormoni Vegetali -

L’ETILENE

H C H

L’etilene è una molecola gassosa

H C H

Diffusione fra i tessuti e fra organismi diversi!

Siti di sintesi: tessuti senescenti o frutti in via di maturazione, in ogni modo tutti i tessuti e gli organi delle piante superiori sono in grado di sintetizzare etilene, specie se lesi o disturbati meccanicamente (stress: stress allagamento, gelo, malattie, temperatura, siccità!!).

BIOSINTESI DELL’ETILENE E SUA REGOLAZIONE La biosintesi è stimolata da differenti fattori: Stadio di sviluppo Condizioni ambientali Presenza di ormoni Lesioni fisiche e chimiche

La via biosintetica dell’etilene parte dalla metionina. metionina

ATP PP + P SAM

Via di recupero della metiltioadenosina (adenina + metiltioribosio) per non perdere composti preziosi come una base azotata ed uno zucchero solforato.

ACC

Fattore limitante del ciclo è la conversione dell’Adomet ad ACC(2). L’ ACC-sintasi è un enzima della famiglia delle amminotransferasi che catalizzano il trasferimento di amminogruppi tra amminoacidi e richiedono piridossalfosfato come cofattore

Il metiltioribosio contenente il gruppo CH3-S e l’adenina sono riciclati per nuova sintesi. E’ una forma di risparmio specie per l’ S oranicato

Più precisamente….

SAM

ACC sintasi

ACC

+ Maturazione dei frutti Senescenza fiorale IAA Lesioni Danno da gelo Stress da siccità Allagamento

ACC ossidasi

+

Maturazione

ETILENE

_ Co2+ ed altri ioni metallici Anaerobiosi Temperatura > 35°C Acido salicilico Aspirina nei fiori recisi!

Catabolismo dell’etilene: via ossidativa che porta a prodotti del tipo CO2, ossido di etilene, glicole etilenico, ecc…

EFFETTI FISIOLOGICI DELL’ETILENE 1) Maturazione dei frutti Stimola la degradazione delle pareti, l’idrolisi dell’amido, la produzione di pigmenti come antociani e carotenoidi (colore!) e la diminuzione di ac. organici e fenoli (sapore!) I frutti che rispondono all’etilene mostrano in genere un aumento delle tasso di respirazione durante la fase di maturazione: frutti climaterici. Mettere un frutto (anche inciso o senescente) insieme ad altri frutti immaturi……..

2) Induzione della fioritura Solo nelle Bromeliacee, in tutte le altre specie la fioritura è inibita.

3) Abscissione L’etilene induce la caduta di foglie, frutti, fiori ed altri organi stimolando l’attività di cellulasi e poligalatturonasi degli strati di abscissione. Foglia: equilibrio auxina/etilene I) Fase di mantenimento (foglia giovane): alti livelli di IAA che prevengono la produzione di enzimi per la “digestione”.

II) Fase di induzione della caduta: caduta inversione del gradiente, ↓IAA ↑etilene. L’etilene riduce il trasporto di IAA verso il picciolo e promuove la senescenza e l’abscissione. Alte [IAA] come defolianti: ↑ sintesi ACC sintasi!

III) Fase di abscissione: abscissione ↑↑↑ etilene.

4) Epinastia E’ la curvatura delle foglie verso il basso per crescita maggiore della parte superiore del picciolo. Risposta allo stress: stress allagamento ed anossia (↓traspirazione: la radice non funziona!) In condizioni di allagamento, l’O2 non può diffondere nel terreno e la radice va in anossia. La mancanza di O2 non permette la formazione di etilene e la sua sintesi si blocca a livello dell’ACC. L’ACC viene traslocato alle foglie via xilema dove può avvenire l’ossidazione ad etilene.

L’etilene induce nella parte aerea l’epinastia e nella radice, dove ridiffonde, la formazione dell’aerenchima per favorire il trasporto dei gas e veicolarvi l’O2.

5) Accrescimento delle pianticelle Allungamento ridotto del fusto, accrescimento laterale e orizzontale: risposta tripla contro le barriere fisiche del terreno che prevengono l’emergenza della pianticella. Nel riso ed in piante acquatiche sommerse promozione dell’allungamento del fusto (mediato da GA): ritardo della diffusione dell’etilene. 6) Apertura del gancio Pianticelle eziolate ed emergenza dal terreno. La luce rossa inibisce la sintesi dell’etilene e ciò media l’apertura del gancio. 7) Dormienza di semi e gemme Nei cereali la produzione di etilene interrompe la dormienza dei semi e dà inizio alla germinazione. Generalmente, la produzione di etilene interrompe la dormienza delle gemme. 8) Formazione di radici e peli radicali

MECCANISMO D’AZIONE DELL’ETILENE Il recettore per l’etilene è una proteina contenente rame integrale di membrana e si trova sul Golgi e sul reticolo endoplasmatico.

Via di trasduzione del segnale Regolazione dell’espressione genica

Effetto e risposta! Esempio di geni indotti dall’etilene: Cellulasi e poligalatturonasi Chitinasi β1-3glucanasi Perossidasi Calcone sintasi (flavonoidi!) Proteine relative alla patogenesi Geni per la maturazione dei frutti Geni per la biosintesi dell’etilene (autocatalisi!)

Recettore

ACIDO ABSCISSICO Struttura: 15 atomi di C, un anello alifatico con un doppio legame, 3 gruppi metilici ed una catena insatura con –COOH. In natura è nella forma cis: attività. Biosintesi: l’ABA è sintetizzato in tutte le cellule che contengono cloroplasti o amiloplasti, la via è quella dell’acido mevalonico (passa attraverso la formazione di alcuni carotenoidi come la violaxantina).

Il catabolismo è ossidativo e coniugativo, il trasporto principalmente floematico.

EFFETTI FISIOLOGICI DELL’ACIDO ABSCISSICO 1) Embriogenesi e formazione del seme Induzione dell’accumulo di sostanze di riserva ed aumento della tolleranza dell’embrione alla disidratazione (↑proteine per la protezione delle membrane che legano H2O e prevengono la cristallizzazione). 2) Dormienza delle gemme e dei semi L’ABA agisce da inibitore dell’accrescimento della gemma (bilancio con i promotori GA e citochinine). Anche nei semi l’ABA induce la dormienza: inibizione di enzimi idrolitici per la degradazione delle sostanze di riserva. Significato dell’induzione della dormienza: sopravvivenza in condizioni sfavorevoli!

3) Accrescimento e senescenza L’ABA è un forte inibitore della crescita: blocco dell’estrusione di H+ con prevenzione dell’acidificazione dell’apoplasto e della distensione della cellula. Solo in alcune specie l’ABA stimola l’abscissione e solo nelle prime fasi iniziali (aumento dell’etilene?), mentre favorisce sempre la senescenza (idrolisi di proteine, ac. nucleici, ecc…) 4) Stress e chiusura degli stomi In tutti gli stress che influenzano il bilancio idrico della pianta (freddo, sale, siccità) l’ABA media la chiusura degli stomi per ridurre la perdita d’acqua dovuta alla traspirazione.

POTENZIALE IDRICO ED ACIDO ABSCISSICO Vi deve quindi essere un sistema che permetta un aumento della concentrazione di ABA libero a livello delle cellule di guardia degli stomi in modo da indurne la chiusura.

Questo sistema prevede una redistribuzione dell’ABA nelle foglie ed un aumento della sua sintesi. I fase: fase redistribuzione dell’ABA in condizioni di stress idrico a livello del mesofillo fotosintetico Condizioni normali

idrofilo

Luce

cloroplasto H+ Alcalinizzazione

ABA + H -

ABAH lipofilo

dello stroma

+

ABAH

ABA + H -

ACCUMULO DI ABA nei cloroplasti durante il giorno. +

Di notte poi avviene il processo inverso, l’ABA è ridistribuito nel citosol, esce nell’apoplasto come ABAH e lo stoma si chiude.

Condizioni di stress idrico

STRESS IDRICO

↑ pH apoplastico

↓ pH del cloroplasto La fase luminosa non può procedere adeguatamente in presenza di stress.

L’equilibrio dell’ABA si sposta a favore della forma indissociata ABAH che permea le membrane ed esce dal cloroplasto.

In presenza di stress la disponibilità energetica della cellula diminuisce e le H+ATPasi lavorano più lentamente.

↑ [ABA] nell’apoplasto

STOMI!!! Risposta molto veloce!

Nel citosol l’ABA è sempre soggetto all’equilibrio fra le due forme, l’ABAH può permeare il plasmalemma ed uscire nell’apoplasto dove adesso la bassa [H+] fa in modo che prevalga la forma dissociata che non può più rientrare nella cellula.

II fase: aumento della sintesi dell’ABA Successivamente, aumenta anche la [ABA] totale. L’ABA viene sintetizzato dalla radice che “sente” lo stress idrico ed aumenta la produzione di questo ormone, viene poi traslocato via xilema al germoglio per mediare la chiusura degli stomi. Per quanto riguarda lo stress idrico, l’ABA inoltre aumenta la conduttività idraulica della radice e ne aumenta anche l’assorbimento degli ioni (cambiamento delle proprietà delle membrane), stimola la crescita della radice e inibisce quella del germoglio.

MECCANISMO D’AZIONE DELL’ABA 1) Regolazione dell’espressione genica Es. risposta a shock termico, basse temperature, sale, maturazione del seme, ecc…

ABA

Legame a recettore

Δ mRNA

(sia fuori che dentro la cellula?)

Via del calcio

Δ [proteine]

2) Chiusura degli stomi La chiusura degli stomi avviene per variazione del potenziale del plasmalemma Gli stomi si chiudono in seguito ad un aumento del loro potenziale idrico per perdita prolungata di elettroliti, specialmente di K+ ed anioni.

ABA

Depolarizzazione di membrana

Chiusura

Come fa l’ABA a provocare questa depolarizzazione……

plasmalemma

Chiusura dello stoma

tonoplasto

Perdita di acqua

Ca2+

Canale del calcio

Ca2+ apertura

(lo Ψ dell’apoplasto è minore!!!)

ABA

recettore

Canale del calcio

Ca2+ IP3

Ca2+

IP3

Aumento della [Ca2+] citosolica

Aumento di Ψ

Aumentano le cariche positive nel citosol K+ Perdita di elettroliti Cl

-

Canale del potassio

Efflusso di K+ per ribilanciare la carica

Canale del cloro

Il calcio inoltre apre i canali del Clche esce in quanto l’uscita del potassio fa aumentare la carica negativa del citosol

IL FITOCROMO Il fitocromo è una proteina colorata (blu) di circa 125 kDa generalmente in forma dimerica ed ogni polipeptide è ripiegato in due domini principali.

IIA IB

IA IIB

Il colore è dato dal cromoforo caratteristico di questa proteina che è un tetrapirrolo a catena aperta legato ad un residuo di cisteina.

Sintesi: la parte proteica viene sintetizzata nel citosol e il tetrapirrolo nel plastidio (via delle Chl!). L’assemblamento avviene spontaneamente nel citosol.

Il fitocromo viene sintetizzato nella forma Pr che assorbe la luce rossa ed è blu, l’assorbimento lo converte nella forma Pfr che assorbe luce rosso lontano ed è verde acquamarina. Le due forme sono fotoreversibili fra loro: se il Pfr assorbe il rosso lontano si riconverte a Pr. Al buio si ha la conversione spontanea del Pfr a Pr.

Generalmente, è la forma Pfr responsabile degli effetti fisiologici del fitocromo. Comunque significativo è anche il rapporto Pfr/Pr e Pfr/P totale.

Gli spettri di assorbimento di Pr e Pfr sono parzialmente sovrapposti nel rosso Equilibrio dinamico fra le due forme: stato fotostazionario con differenti % a seconda della composizione della luce

Le due forme sono interconvertibili fra loro perché ogni volta che il cromoforo assorbe la luce si isomerizza nell’altra forma.

TRANS

Rosso CIS

Rosso lontano

L’isomerizzazione del cromoforo induce un cambiamento conformazionale di tutta la proteina → ATTIVITÀ!

COME FUNZIONA IL FITOCROMO I) FOTOMORFOGENESI Quando le piantine crescono al buio, si allungano molto più rapidamente del normale → eziolamento, aumenta la probabilità della pianta di raggiungere la luce. Le piantine eziolate non sono verdi perché la sintesi della clorofilla può avvenire solo alla luce, se non vengono esposte alla luce, una volta finite le riserve del seme muoiono.

Luce I cotiledoni cadono, le foglioline inverdiscono, gli internodi si allungano normalmente Questa risposta è mediata dal fitocromo!

Per mediare questa risposta, il fitocromo indurrà l’espressione di opportuni geni per il differenziamento e la morfogenesi della pianta.

II) FUGA DALL’OMBRA La luce naturale del sole contiene più rosso (660nm) che rosso lontano (735nm). La clorofilla assorbe tantissimo a 660nm così nel sottobosco arriva luce arricchita nel rosso lontano (735nm). Questo è sufficiente per prevenire l’eziolamento in piantine appena germinate, ma appena queste inverdiscono cominciano ad allungarsi rapidamente fino a che il rapporto rosso/rosso lontano non aumenta ed affrettano il loro normale tempo di fioritura. La fuga dall’ombra assicura che la pianta riceva abbastanza luce per fotosintetizzare Basso rosso/rosso lontano simula l’ombreggiamento della vegetazione circostante e risulta in un aumento nella crescita per allungamento e nell’acceleramento della fioritura.

Alto Basso rosso/rosso lontano rosso/rosso lontano (condizione di luce) (condizione di ombra)

III) FOTOPERIODISMO Molte piante fioriscono nello stesso periodo dell’anno anche se hanno cominciato a crescere in periodi diversi: aumento della probabilità di impollinazione “eterologa”. La fioritura è una risposta al cambiamento della lunghezza del giorno e della notte. Le piante possono essere suddivise in: Brevidiurne Necessitano di periodi di giorni “corti” per fiorire

Longidiurne Necessitano di periodi di giorni “lunghi” per fiorire

Questo spiega perché alcune piante possono essere cresciute solo a determinate latitudini. Le piante “neutre” sono molto poche.

Meccanismo del fotoperiodismo Ciò che veramente influisce sulla fioritura, non è la lunghezza del giorno ma quella della notte!! Esempio di pianta brevidiurna Se la notte è sufficientemente lunga si ha fioritura (es. 8.5h) Se la notte è interrotta da un flash di luce rossa non si ha fioritura L’effetto è revertito da un flash di luce rosso lontano L’illuminazione nel rosso lontano riduce le ore di notte necessarie per la fioritura

Perché succede tutto questo? La luce del sole è più ricca nel rosso (660nm) che nel rosso lontano (730nm), così al tramonto vi è quasi tutto Pfr. Durante la notte, il Pfr si riconverte a Pr che è la forma necessaria per il rilascio del segnale della fioritura. Quindi la pianta dell’esempio ha bisogno di 8.5h di buio per convertire tutto il Pfr presente al tramonto in Pr. Se questo processo è interrotto da un flash a 660nm il Pr è immediatamente riconvertito a Pfr e l’effetto della notte lunga viene eliminato. Una seguente esposizione a 730 nm riconverte il pigmento a Pr e l’effetto della notte lunga può avere luogo. L’esposizione intensa a 730 nm all’inizio della notte regola l’“orologio” avanti di circa 2h eliminando il bisogno della conversione spontanea del Pfr a Pr.