ALTERAZIONI DI PATHWAYS BIOCHIMICI E METABOLICI DELLE PIANTE DA PARTE DELL’OZONO: MECCANISMI DI DANNO E STRATEGIE DI DIFESA 24 Novembre 2006, San Piero.

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1 ALTERAZIONI DI PATHWAYS BIOCHIMICI E METABOLICI DELLE PIANTE DA PARTE DELL’OZONO: MECCANISMI DI DANNO E STRATEGIE DI DIFESA 24 Novembre 2006, San Piero a Grado, Pisa Annamaria Ranieri, Antonella Castagna DCBA, Università di Pisa

2 PLANT CANOPY Siti di deposizione: Resistenze :  vegetazione  aerodinamiche  suolo  di superficie FOGLIA Siti di deposizione: Resistenze :  superficie fogliare  cuticolare  spazio interno  stomatica  residua  residua INTERNO DELLA FOGLIA Siti di deposizione: Resistenze :  camera sottostomatica  interfaccia gas-liquido  mesofillo

3 diverse modalità di esposizione all’ozono... Camere di fumigazione DCBA DCSL Pisa CONDIZIONI CONTROLLATE ESPOSIZIONE DI TIPO ACUTO ESPOSIZIONE DI TIPO CRONICO

4 Chamberless system Giessen -DE Giessen -DE Free-air O 3 exposure system Friburgo - CH OTC Wageningen - NL; Newcastle - GB Wageningen - NL; Newcastle - GB Braunschweig -DE; Madrid - E esposizione di tipo cronico, condizioni naturali diverse modalità di esposizione all’ozono...

5 O3O3O3O3 Esposizione esterna (es. concentrazione, AOT40) Uptake effettivo (teoria dei flussi, capacità biologica di difesa) Uptake controllato principalmente dalla conduttanza stomatica Effetto biologico Effetti iniziali nell‘apoplasto e nella membrana. Effetto biologico nella cellula in dipendenza dei processi di difesa Ridisegnato da Tausz et al. Environ Poll (2006 in press)

6 ROS Ca 2+ induzione morte cellulare programmata amplificazione segnale e diffusione morte cellulare attivazione difesa e contenimento morte cellulare O3O3 ascorbato, APX...              MAPK ET ? ROS NADHox O2O2 O2-O2- H2O2H2O2 SOD  NADH ox APOPLASTO SIMPLASTO  Rad ? Rad ? ETR ET SA JA ETR SA ET ridisegnato da KANGASJÄRVI et al. 2005 Plant Cell Environ ROS POD pH-POD NADHox O2O2 O2-O2- attivazione o repressione geni ascorbato, APX... APX... induzione morte cellulare programmata amplificazione segnale e diffusione morte cellulare attivazione difesa e contenimento morte cellulare

7 ASA nmoli g -1 pf DHA stato redox % C O3O3O3O3 88  4 b 35  3 b 71  2 a 143  11 a 119  9 a 54  3 b ASA nmoli g -1 pf DHA stato redox % C O3O3O3O3 3.5  0.1 b 0.3  0.02 b 92  3 a 10.8  0.1 a 13.3  0.2 a 45  4 b C O3O3O3O3 6.3  0.3 b 0.8  0.01 b 88  3 a 23.3  0.1 a 96  0.6 a 19  5 b I-214 Eridano ACIDO ASCORBICO APOPLASTO 150 ppb O 3, 4 h, 4 g 150 ppb O 3, 5 h Ranieri et al. Ranieri et al.  (2000) Plant Sci.  (2000) J. Plant Physiol. Ranieri et al. Ranieri et al.  (1999) J Plant Physiol  (1998) Responses of plant metabolism to air pollution and global change (de Kok e Stulen eds)  moli asc min -1 mg -1 prot C O3O3O3O3C O3O3O3O3 b a b a I-214Eridano b a C O3O3O3O3 APX

8 ROS Ca 2+ induzione morte cellulare programmata amplificazione segnale e diffusione morte cellulare attivazione difesa e contenimento morte cellulare O3O3 ascorbato, APX...              MAPK ET ? ROS NADHox O2O2 O2-O2- H2O2H2O2 SOD  NADH ox APOPLASTO SIMPLASTO  Rad ? Rad ? ETR ET SA JA ETR SA ET ridisegnato da KANGASJÄRVI et al. 2005 Plant Cell Environ ROS POD pH-POD NADHox O2O2 O2-O2- attivazione o repressione geni NAD(P)H ox pH-POD

9 * * *  moli NAD(P)H min -1 m g -1 prot NAD(P)H POD IWF ATTIVAZIONE ENZIMI GENERANTI H 2 O 2 Ranieri et al. (2003) J Exp Bot 150 ppb O 3, 4 h C O3O3O3O3 esposizione all’O 3 * * *  moli NAD(P)H min -1 m g -1 prot NAD(P)H ossidasi PM

10 ROS Ca 2+ induzione morte cellulare programmata amplificazione segnale e diffusione morte cellulare attivazione difesa e contenimento morte cellulare O3O3 ascorbato, APX...              MAPK ET ? ROS NADHox O2O2 O2-O2- H2O2H2O2 SOD  NADH ox APOPLASTO SIMPLASTO  Rad ? Rad ? ETR ET SA JA ETR SA ET ridisegnato da KANGASJÄRVI et al. 2005 Plant Cell Environ ROS POD pH-POD NADHox O2O2 O2-O2- attivazione o repressione geni H2O2H2O2H2O2H2O2

11 150 ppb O 3, 4 h Ranieri et al. (2003) J Exp Bot ACCUMULO H 2 O 2 200 ppb O 3, 5 h Castagna et al. (2006 submitted) New Phytol 150 ppb O 3, 5 h Diara et al. (2005) New Phytol

12 ROS Ca 2+ induzione morte cellulare programmata amplificazione segnale e diffusione morte cellulare attivazione difesa e contenimento morte cellulare O3O3              MAPK ET ? ROS NADHox O2O2 O2-O2- H2O2H2O2 SOD  NADH ox APOPLASTO SIMPLASTO  Rad ? Rad ? ETR ET SA JA ETR SA ET ridisegnato da KANGASJÄRVI et al. 2005 Plant Cell Environ ROS POD pH-POD NADHox O2O2 O2-O2- attivazione o repressione geni POD ascorbato, APX...

13 PEROSSIDASI 150 ppb O 3, 4 h, 4 g Ranieri et al. Ranieri et al. (2000) Plant Sci.  abs Syringaldazina min -1 mg -1 prot b a C O3O3O3O3  abs Syringaldazina min -1 g -1 ps b a C O3O3O3O3 b a C O3O3O3O3  abs Syringaldazina min -1 mg -1 prot IWFIBCB + - C O3O3O3O3IWFIBCBC O3O3O3O3C O3O3O3O3

14 ROS Ca 2+ induzione morte cellulare programmata amplificazione segnale e diffusione morte cellulare attivazione difesa e contenimento morte cellulare O3O3 ascorbato, APX...              MAPK ET ? ROS NADHox O2O2 O2-O2- H2O2H2O2 SOD  NADH ox APOPLASTO SIMPLASTO  Rad ? Rad ? ETR ET SA JA ETR SA ET ridisegnato da KANGASJÄRVI et al. 2005 Plant Cell Environ ROS POD pH-POD NADHox O2O2 O2-O2- attivazione o repressione geni ET

15 ETILENE C O3O3O3O3 esposizione all’O 3 Ranieri et al. (2003) J Exp Bot 150 ppb O 3, 4 h * * * nl h -1 g -1 pf Diara et al. (2005) New Phytol 150 ppb O 3, 5 h *Eridano nl h -1 g -1 pf * *I-214

16 ROS Ca 2+ induzione morte cellulare programmata amplificazione segnale e diffusione morte cellulare attivazione difesa e contenimento morte cellulare O3O3 ascorbato, APX...              MAPK ET ? ROS NADHox O2O2 O2-O2- H2O2H2O2 SOD  NADH ox APOPLASTO SIMPLASTO  Rad ? Rad ? ETR ET SA JA ETR SA ET ridisegnato da KANGASJÄRVI et al. 2005 Plant Cell Environ ROS POD pH-POD NADHox O2O2 O2-O2- attivazione o repressione geni SA JA

17 * * * CONIUGATO nmoli g -1 pf ACIDO SALICILICO Diara et al. (2005) New Phytol 150 ppb O 3, 5 h C O3O3O3O3 EridanoI-214 nmoli g -1 pf LIBERO *

18 ROS Ca 2+ induzione morte cellulare programmata amplificazione segnale e diffusione morte cellulare attivazione difesa e contenimento morte cellulare O3O3 ascorbato, APX...              MAPK ET ? ROS NADHox O2O2 O2-O2- H2O2H2O2 SOD  NADH ox APOPLASTO SIMPLASTO  Rad ? Rad ? ETR ET SA JA ETR SA ET ridisegnato da KANGASJÄRVI et al. 2005 Plant Cell Environ ROS POD pH-POD NADHox O2O2 O2-O2- attivazione o repressione geni cloroplasto cloroplastocloroplasto

19 IL CLOROPLASTO Ranieri et al. (2000) Physiol. Plant. 150 ppb O 3, 5 h trasporto elettronico (mmoli O 2 h -1 mg -1 clorof) cloroplasto tilacoidi D1 LHCII Psa A/B D2 CP47

20 IL CLOROPLASTO 150 ppb O 3, 5 h Ranieri et al. (2000) Physiol. Plant. (2000) Physiol. Plant. D1D2CP47LHCIIPsaA/B C O3 O3 O3 O3 ERIDANO I-214 C O3 O3 O3 O3C O3 O3 O3 O3C O3 O3 O3 O3C O3 O3 O3 O3 D1 D2 CP47 LHCII PsaA/B

21 IL CLOROPLASTO 150 ppb O 3, 5 h Ranieri et al. (2000) Physiol. Plant. CLONE I-214 CLONE Eridano C O3O3O3O3 16.5  1.0 a11.6  1.0 b32.3  3.3 a 5.3  0.4 a4.5  0.4 b10.6  1.0 a C O3O3O3O3 0.39  0.04 a0.31  0.04 b0.92  0.11 a 2.7 a2.6 a3.8 a Clorofilla a Clorofilla b  carotene Carotenoidi tot DEPS 24.8  2.7 b 8.2  0.9 b 6.2  0.8 a4.6  0.2 b12.6  1.1 a 0.33  0.04 b 3.2 a 9.3  0.9 b nmol cm -2 % -30 -15 -21 -26 --- -23 -64 -26 ---

22 CONCLUSIONI 1 SINGOLO COMPONENTE DEL SISTEMA SENSIBILITÀ ALL’O 3  maggior numero di marcatori  diversi approcci metodologici INSIEME DI PIU’ RISPOSTE OK 2 DANNO segnale difesa

23 Ozone impact on vegetation Dr. Juergen Bender Institute of Agroecology Federal Agricultural Research Centre (FAL) Braunschweig (Germany) Università di Pisa - Facoltà di Agraria SEMINARIO Lunedì 27 Novembre - ore 11.00 Aula Magna della Facoltà GRAZIE

24 Chamberless system Giessen -DE Giessen -DE Free-air O 3 exposure system Friburgo - CH OTC Wageningen - NL; Newcastle - GB Wageningen - NL; Newcastle - GB Braunschweig -DE; Madrid - E Biodiversity in Herbaceous Semi- Natural Ecosystem under Stress by Global Change Components BIOSTRESS http://www.uni-hohenheim.de/biostress/

25 PCA Control Ozonated -3.2-1.20.82.84.8 -2.9 -1.9 -0.9 0.1 1.1 2.1 3.1  -carot Fv/Fm PSII NPQ ETR CHL tot Carot tot tot VAZ POD DEPS Vm TpBe Ko PlW Ac Ant Cy Bh PlBe RuNc Pm RuNc Av Ep PoB PoNc Ve Ca Vc Ve TpNc TrNc Le HyTrBe Anx Bre Sc Pa TrBe Le Hy HoBe HoW Av PoNcVc Ep Pm RuB PlBe RuB Brh Bri Ac PlW Ko TpBe Vm Component 1 Component 2 -2.8-0.81.23.25.2 -2.4 -1.4 -0.4 0.6 1.6 2.6 Fv/Fm CHL tot Carot tot Chla/Chlb VAZ DEPS POD T.pra Mi C T.pra Mi O 3 T.pra Mo O 3 T.pra Mo C PoaA Mo C Ver Mi O 3 PoaA Mo O 3 PoaV Mi C PoaA Mi C PoaA Mi O 3 PoaV Mi O 3 Ach Mi O 3 Ver Mo O 3 Ver Mi C Ver Mo C Bro Mi C Ach Mo C Bri Mo C Bri Mo O 3 Bri Mi C Bri Mi O 3 Ach Mo O 3 Bro Mi O 3 Bro Mo C Ach Mi C Plan Mo O 3 Bro Mo O 3 Plan Mi C Plan Mo C Plan Mi O 3 Control Ozonated Component 1 Component 2 monocultura esposizione acuta, camera di fumigazione monocultura esposizione cronica, campo competizione Simili risposte da parte delle piante all’esposizione acuta e cronica Le specie più sensibili al trattamento acuto lo sono anche nei confronti del trattamento cronico Importanza dell’uso di camere di fumigazione per simulare situazioni realistiche e consentire un rapido screening di sensibilità all’O 3 Validità dei parametri testati come biomarkers in entrambi i tipi di trattamento (acuto in condizioni controllate e cronico in pieno campo)

26 RL Colasanti, R Hunt, AP Askew University of Sheffiled, UK BIOSTRESS

27 Stato iniziale ControlloOzono COMPETITORS (C) RUDERALS (R) STRESS-TOLLERATORS (S)  Variazione biomassa C 43% R 27%  Modifica composizione ecosistema

28 APX SIMPLASTO E CLOROPLASTO 150 ppb O 3, 5 h  moli asc min -1 mg -1 prot C O3O3O3O3C O3O3O3O3 b a b a I-214Eridano C O3O3O3O3C O3O3O3O3 b a b a I-214Eridano C O3O3O3O3C O3O3O3O3 b a b a I-214EridanoRCMSTROMATILACOIDI Ranieri et al. (1998) Responses of plant metabolism to air pollution and global change (de Kok e Stulen eds. 150 ppb O 3, 4 h, 4 g RCMb a C O3O3O3O3  moli asc min -1 mg -1 prot STROMA C O3O3O3O3TILACOIDI  moli asc min -1 mg -1 clorof C O3O3O3O3 Ranieri et al. (2000) J. Plant Physiol. Ranieri et al. (2000) J. Plant Physiol.