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Risposta della conduttanza stomatica allazione combinata di ozono e stress idrico in Quercus ilex Marcello Vitale, Elisabetta Salvatori, Fausto Manes Dipartimento.

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1 Risposta della conduttanza stomatica allazione combinata di ozono e stress idrico in Quercus ilex Marcello Vitale, Elisabetta Salvatori, Fausto Manes Dipartimento di Biologia Vegetale – Università di Roma La Sapienza Francesco Loreto, Silvano Fares Istituto di Biologia Agro-ambientale e Forestale – CNR, Monterotondo scalo (Roma) RIO3-VEG: Rete Informativa su Ozono e Vegetazione Ozono e Vegetazione: Il Contributo della Ricerca Italiana Primo Incontro, 24 Novembre 2006 – San Piero a Grado (Pisa)

2 RADICIFUSTIFOGLIE (modificato da Fuhrer, 2003) [CO 2 ] i Assimilazione CO 2 Flusso soglia Antiossidanti CH 2 O Traslocazione CO 2 O3O3 Meccanismi riparazione Conduttanza stomatica [O 3 ] i

3 Cinque anni di biomonitoraggio passivo sono stati condotti su una lecceta naturale posta allinterno della tenuta Presidenziale di Castelporziano a sud di Roma. Per lanalisi dei dati sono state utilizzate differenti approcci statistici: regressione multipla lineare e lanalisi delle reti neurali (Neural Network Analysis (NNA)). I° caso di studio Lo scopo è quello di valutare le risposte morfologico-funzionali alle variazioni stagionali dei principali parametri ambientali, concentrazioni di ozono e flusso stomatico allozono (FO3), su foglie di Quercus ilex L. poste in condizioni sperimentali naturali. Manes, Vitale, Di Traglia (2005. Plant Biosystems 139(3): 265 – 278

4 AOT40 e flussi stomatici di ozono (FO3) relativi alle campagne di misura I valori di AOT40 sono stati calcolati considerando i 5 giorni precedenti dal giorno di misura dei parametri fisiologici. E evidente il totale disaccoppiamento tra le due variabili. Gli andamenti del flusso cumulato di ozono e dellAOT40 procedono parallelamente se le condizioni ambientali e idriche non subiscono variazioni. Quando ciò accade, si può osservare un disaccoppiamento tra le due variabili (Gerosa et al., inviato a Atmospheric Environment)

5 Matrice di correlazione relativa al data set di Quercus ilex (1993 – 2004)

6 COND = – 3.05VPD TRASP PHOTO Ci/Ca, R 2 adj = PHOTO = PAR – 0.31TEMP TRASP COND – 17.17Ci/Ca, R 2 adj =0.653 Lanalisi di regressione multipla effettuata sui dati relativi al leccio raccolti durante le campagne sperimentali dimostrano la difficoltà di derivare un modello meccanicistico lineare multiplo che, prendendo in considerazione le principali variabili ambientali, sia in grado di predire il comportamento stomatico a differenti condizioni ambientali.

7 VPD Trasp Photo Ci/Ca H1 H2 H3 H4 Cond O3s Analisi neurale condotta sul data set di Quercus. La topologia della rete è come la precedente, ma con 5 variabili di input per la predizione di COND). Dai profili di predizione è evidente che la conduttanza stomatica al vapore acqueo risulta essere principalmente influenzata dal VPD. R 2 = 0.99

8 Phar Tair Trasp Cond Ci/Ca O3s H1 H2 H3 Photo FO3s Analisi neurale condotta sul data set di Quercus. La topologia della rete è caratterizzata da 3 nodi nascosti (neuroni), 7 variabili di input ed 1 variabile di output – fotosintesi netta (PHOTO). Lalta capacità predittiva della NNA è evidenziata dalle comparazioni con I valori osservati. Osservando i profili di predizione derivati dal modello neurale la fotosintesi mostra una relazione non lineare con lassorbimento stomatico di ozono (FO3). R 2 = 0.96

9 Conclusioni 1° caso di studio La risposta funzionale di Q. ilex analizzata rispetto ai trend delle concentrazioni di ozono, dellassorbimento stomatico di ozono e dei parametri ambientali suggeriscono lesistenza di relazioni non lineari come evidenziato dall'analisi neurale. L'effetto dellozono sulla fotosintesi è funzione dellassorbimento stomatico di O 3 e non delle concentrazioni di ozono (O3mean), mentre la conduttanza stomatica non risultava interessata da queste ultime ma dal VPD. Manes et al., Plant Biosystems, Vol. 139, No. 3, November 2005, pp. 265 – 278

10 Nelle aree con aridità estiva, si attende un minore assorbimento stomatico di ozono – come visto per il leccio, rispetto a specie presenti in aree più umide. La sincronizzazione dei picchi di attività fisiologica, in relazione alle condizioni ambientali limitanti e alle elevate concentrazioni di ozono nellarea mediterranea diventa un fattore critico. Nel leccio, data lassenza del danno morfologico, si è osservata una sequenza molto complessa dei rapporti fra le variabili che interagiscono a vicenda. In conseguenza di ciò lanalisi statistica lineare ha fornito scarsi risultati rispetto a quelli che derivano dallanalisi neurale. Ciò è importante nella valutazione dei livelli critici basati sulle concentrazione di ozono poiché la concentrazione di O 3, di per sé, non è stata considerata un parametro influente sulla fotosintesi e sulla conduttanza stomatica dallanalisi neurale, mentre ha rappresentato una variabile importante insieme alla temperatura nell'analisi lineare. Conclusioni 1° caso di studio

11 2° caso di studio ESPERIMENTO DI FUMIGAZIONE CON OZONO IN AMBIENTE CONTROLLATO SU PIANTINE DI Quercus ilex, IRRIGATE E NON IRRIGATE. Obiettivo Obiettivo: determinare limpatto combinato di stress idrico e O 3 sul comportamento stomatico del leccio. Set –O3+H2O: controllo, non fumigato e irrigato; Set O3+H2O: irrigato, fumigato a 250ppb di O 3 x 4 h x 5 gg x 4 settimane; Set O3-H2O: non irrigato, fumigato a 250ppb di O 3 x 4 h x 5 gg x 4 settimane ppb h

12 da Fall, 1999/

13 Niinemets, Loreto, Reichstein (2004). TRENDS in Plant Science 9(4): Lemissione di composti organici volatili (VOCs) generati dalla pianta è limitata sia da fattori fisiologici che da quelli fisico- chimici. I primi determinano la disponibilità di precursori per i VOCs e controllano la massima attività degli enzimi implicati nelle vie di sintesi. I secondi limitano la volatilità, la diffusione entro la fase acquosa e la diffusione gassosa allinterfaccia foglia – atmosfera.

14 Scambi gassosi fogliari

15 Conduttanza stomatica: tabelle di correlazione semplice e parziale

16 Fluorescenza fogliare Lozono non ha effetti sulla fase luminosa della fotosintesi nel leccio del set idratato

17 O3 uptake, emissione di monoterpeni (a) e dei prodotti risultanti dallattività della Lipo-ossigenasi (b), a 30°C. La sintesi e lemissione di VOCs implica un loro ruolo protettivo (Loreto et al., 2004). Nel set O 3 +H 2 O lelevata emissione di monoterpeni permette il mantenimento dellattività fisiologica con una concentrazione cumulata esterna di O 3 pari a 22 ppm h, contrastando la perossidazione delle membrane durante la 3° settimana di fumigazione. Tale ruolo protettivo dei monoterpeni risulta essere negativamente influenzato dallo stress idrico del set O 3 -H 2 O, che causava un elevato stress ossidativo interno e la riduzione degli scambi gassosi. Si rivela unintensa attività di perossidazione già alla 2° settimana di fumigazione.

18 Scambi gassosi fogliari diurni (durante le fumigazioni) e notturni: set O 3 +H 2 O Gli scambi gassosi diurni misurati sul set (O 3 +H 2 O) mostrano una riduzione di Gs durante la 3° settimana di fumigazione. Durante le rispettive notti successive alle fumigazioni Gs tende ad aumentare.

19 360.48% rispetto al pre-trattamento; F=157.14, p<<0.05 Importanti effetti in condizioni di campo: aumento del flusso di O 3 durante la notte, effetti negativi sulla fisiologia e sulla produttività delle piante, in quanto la barriera antiossidante non viene continuamente ripristinata durante le ore notturne (Musselmann e Minnick, 2000; Grulke et al., 2003; Matyssek et al., 2004) Scambi gassosi fogliari diurni e notturni nei fine settimana: set O 3 +H 2 O

20 Conclusioni del 2° caso di studio a)Lozono e lo stress idrico non agiscono in modo sinergico (set O3- H2O). Lo stress idrico induce una precoce chiusura stomatica che impedisce o limita fortemente lentrata di O 3 nella foglia e sembra imporre una severa limitazione allefficienza della resa quantica del PS II; b)I monoterpeni mostrano un ruolo protettivo contro lO 3, ma tale ruolo sembra ridotto dalleffetto dello stress idrico sullassimilazione del carbonio; c)Lesposizione diurna allO 3 causa un progressivo incremento della conduttanza stomatica notturna quando il sistema difensivo degli antiossidanti è al suo livello più basso. Ciò può aumentare la vulnerabilità delle piante allo stress ossidativo, influenzando in tal modo la performance di Quercus ilex quando esposto allO 3 in condizioni naturali per periodi lunghi di tempo. Vitale M., Salvatori E., Loreto F., Fares S., Manes F., Inviato a Environmental Pollution

21 Grazie per la vostra attenzione !

22 Lapplicazione dellanalisi neurale era già stata utilizzata da Ball ed altri (2000) su un data set di Trifolium repens sensibile allO3 con la quale avevano descritto tutti i fattori che interessano il rapporto tra la biomassa del trifoglio resistente e quella del sensibile allO3 indicando che l'indice AOT40 era un fattore importante che interessava tale rapporto; gli autori però non avevano considerato lassorbimento stomatico di ozono nella loro analisi neurale. Conclusioni 1° caso di studio

23 Ozono troposferico: ciclo di formazione e distruzione

24

25 Overview di variabili ambientali e fisiologiche riguardanti 5 anni di campagne sperimentali condotte nel sito naturale della Tenuta di Castelporziano su Quercus ilex. Le concentrazioni di ozono temperatura- dipendenti sono state stimate mediante una formula empirica derivata dai dati di campo.


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