Fisiologia Vegetale 7CFU: lezioni Orario: MARTEDI 11-13 GIOVEDI 14-16 (1 CFU) VENERDI 11-13 AULA T4 Prof. Mauro Marra stanza 349;Tel: 0672594349 Email: marra@uniroma2.it

Libri di testo PICCIN EDISES

Perchè studiare le piante?

Per superare l’esame di Fisiologia Vegetale!

Le piante, come molti animali, sono eucarioti multicellulari Bacteria Archaea Animals Plants Fungi Antenati comuni Plants, animals and fungi share many cellular functions. Studying plants informs us about animals, and vice versa, because of their shared eukaryotic ancestry. Images – bacteria - Pseudomonas aeruginosa Archaea - Halobacterium sp. Fungi - Coprinus comatus Animal - Sciurus carolinensis Plant - Lathyrus odoratus Photo credits: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald

Le piante sono una fonte di biodiversità Green algae Liverworts Mosses Vascular Plants Club mosses Ferns Seed Plants Flowering Plants Cone-bearing plants Grasses Broad-leafed plants Land Plants Hanno evoluto la capacità di adattarsi ad ambienti molto diversi muschio Images courtesy tom donald

Le piante sono organismi sorprendenti Largest organism (> 100m) Largest flower (~ 1m) The largest tree, General Sherman, is much larger than the largest animal, the blue whale. For more botanical record breakers see http://waynesword.palomar.edu/ww0601.htm#oldseed Rafflesia arnoldii Photo by ma_suska Pinus longaeva – bristle cone pine Sequoiadendron giganteum - giant sequoia Longest living (~ 5000 years) Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebs

Non c’è vita senza le piante Producono l’ossigeno che respiriamo Producono la maggior parte dell’energia chimica che consumiamo come cibo o combustibili Producono un’enorme varietà di composti chimici utili

Non possiamo vivere senza ossigeno NO oxygen Joseph Priestley (1774) riconobbe che la respirazione “avvelenava” l’aria. Un animale tenuto in un contenitore chiuso alla fine muore X In a celebrated experiment from 1772, Joseph Priestley kept a mouse in a jar of air until it collapse because of a lack of oxygen. He found that a mouse kept with a plant would survive.

Le piante producono ossigeno Priestley riconobbe anche che le piante avevano la proprietà di ristabilire la “qualità” dell’aria. Oggi sappiamo che esse producono ossigeno come sottoprodotto della fotosintesi Oxygen produced In a celebrated experiment from 1772, Joseph Priestley kept a mouse in a jar of air until it collapse because of a lack of oxygen. He found that a mouse kept with a plant would survive.

Le piante fissano la CO2 in molecole ricche di energia che gli animali consumano come cibo Le piante convertono la CO2 in zuccheri attraverso la fotosintesi

Le piante producono una enorme varietà di molecole utili vitamin A vitamin C vanillin caffeine morphine

Lo studio delle piante ci informa riguardo al nostro mondo Le cellule sono state osservate per la prima volta nelle piante. biology.clc.uc.edu/Fankhauser/Labs/Cell_Biology/Cells_Lab/CELLS.htm Photograph of cork cells Drawing of cork by Robert Hooke, discoverer of “cells” Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D

I Virus sono stati isolati per la prima volta dalle piante I Virus infettano gli uomini come le piante, causando molte malattie, come la poliomielite, l’AIDS, l’epatite, la SAR etc. Tobacco Mosaic Virus (Copyright) 1994 Rothamsted Research. www.rothamsted.bbsrc.ac.uk Image Copyright 1994 Rothamsted Research.

Gli studi di Mendel sui piselli hanno rivelato le leggi dell’ereditarietà

Gli studi di Mendel sui piselli hanno rivelato le leggi dell’ereditarietà ...che ci aiutano a comprendere malattie umane come l’anemia falciforme

Gli studi di Mendel sui piselli hanno rivelato le leggi dell’ereditarietà ...e l’emofilia, e altre innumerevoli malattie che hanno determinanti genetici Pedigree of family carrying hemophilia allele

Gli studi di Mendel sui piselli hanno rivelato le leggi dell’ereditarietà Il lavoro di mendel ha fondato le basi per la genetica agraria e il miglioramento genetico delle piante Distinguished plant breeder Norman Borlaug 1914-2009

Perchè studiare le piante?

La popolazione mondiale è in continua crescita Si ritiene che la popolazione mondiale triplicherà dal 1950 (2.5 miliardi) al 2020 (7.5 miliardi)

La popolazione mondiale è in continua crescita Uno degli obiettivi principali della biologia vegetale è l’incremento della produzione: si stima che sia necessario un incremento del 70% nei prossimi 40 anni

“La rivoluzione verde” Nel 20° secolo si ebbe un enorme aumento di produzione di sementi di cereali grazie all’uso di fertilizzanti e alla introduzione di varietà seminane di cereali Le varietà seminane riescono a produrre più semi e piu grandi e sono più resistenti agli stress Please note – this is a photo illustration I assembled from the two images cited on the slide. Distinguished plant breeder and Nobel Laureate Norman Borlaug 1914-2009 Photos courtesy of S. Harrison, LSU Ag center and The World Food Prize.

Più di un miliardo di persone soffrono la fame Cioè più della popolazione degli USA, Canada ed Europa insieme (Source: FAO news release, 19 June 2009)

Più di due miliardi di persone sofffrono di anemia a causa della carenza di ferro Cioè circa la popolazione totale di USA, Canada , europa e Cina (Source:  World Health Organization, WHO Global Database on Anaemia)

Cosa possono fare gli scienziati?

Gli scienziati che studiano le piante possono contribuire ad alleviare la fame Sviluppando piante che: Siano resistenti alla siccità e agli stress Richiedano meno acqua e fertilizzanti Siano resistenti ai patogeni Siano più nutrienti

La crescita delle piante è spesso limitata dalla carenza di acqua Image source: IWMI

Lo stress idrico è aggravato dall’aumento globale della temperatura Temperature change forecast 2071-2100 period, relative to the 1961-1990 period. Nelle regioni calde le rese dei raccolti diminuiscono del ~3 – 5% per ogni 1°C di aumento di temperartura. © European Communities, 1995-2009. Image Source: The PESETA Project

Anche uno stress idrico moderato riduce le rese dei raccolti Lo stress idrico moderato riduce la fotosintesi e la crescita; lo stress idrico severo è letale

Abbiamo bisogno di piante capaci di crescere bene in condizioni di stress Calore e siccità riducono le rese dei raccolti La rimozione degli alberi causa maggiori emissioni di CO2 nell’atmosfera Aree più vaste debbono essere utilizzate (deforestazione)

L’alterazione di un singolo gene può incrementare la resistenza alla siccità After re-watering Well-watered 10 days drought 20 days drought Drought-resistant Wild-type Yu, H., et al. Plant Cell 2008;20:1134-1151

Un sistema radicale più esteso contribuisce alla resistenza alla siccità Seedlings Mature plants Wild-type Drought tolerant Incrociando piante per radici più grandi si possono ottenere varietà capaci di crescere in ambienti aridi Yu, H., et al. Plant Cell 2008;20:1134-1151

I fertilizzanti sono una risorsa limitata ed energeticamente costosa Le piante da raccolto hanno bisogno di fertilizzanti: potassio, fosfato, azoto ed altri nutrienti Potassio e fosfati sono risorse minerali, non rinnovabili La sintesi dei fertilizzanti azotati richiede grandi quantità di energia Photo credits: Mining Top News; Library of Congress, Prints & Photographs Division, FSA-OWI Collection, LC-USW361-374

L’uso dei fertilizzanti è una fonte di inquinamento ambientale L’eliminazione dei fertilizzanti causa fioriture algali riducendo i livelli di ossigeno e rendendo la vita animale impossibile. http://www.sciencedaily.com/releases/2009/06/090618124956.htm Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio)

L’assunzione dei nutrienti minerali nelle piante può essere migliorata Sistemi di trasporto più efficienti nella radice possono ridurre la quantità di fertilizzanti. Yuan, L., et al. (2007) Plant Cell;19:2636-2652

Piante selvatiche assumo acqua e nutrienti in maniera più efficiente della maggior parte delle piante da raccolto Gli scienziati incrociando piante da raccolto con piante perenni sperano di ridurre la dipendenza da acqua e fertilizzanti The enormous root system of a perennial wheat relative Thinopyrum intermedium, is held by its developer Wes Jackson. http://www.westerngardeners.com/foodshed-challenges-require-new-thinking.html Wes Jackson of the Land Institute con Thinopyrum intermedium, un parente selvatico del grano Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.com

Le malattie minacciano i raccolti a livello mondiale Phytophthora infestans, un batterio, causa la peronospora della patata (potato late bligth) Puccinia graminis tritici, un fungo, causa la ruggine del fusto del grano ( wheat stem rust ) Photo credits: www.news.cornell.edu; www.fao.org

La peronospora distrugge le piante di patata La peronospora (potato late blight disease) è causata Phytophthera infestans. Causò In Irlanda la grande carestia del 1845 con un milione di morti ed una massiccia immigrazione negli USA Infected Treated . (Photo credits: USDA; Scott Bauer)

La ruggine del fusto del grano è una malattia emergente Un nuovo ceppo del fungo, fortemente patogeno si è sviluppato in Uganda nel 1999 – è chiamato Ug99. La maggior parte delle varietà di grano coltivate non sono resistenti a questo ceppo. Infected wheat plant Photo credit: ARS USDA

Le piante hanno dei geni di resistenza alle malattie Non inoculate Inoculate con il patogeno Resistente Suscettibile I genetisti agrari hanno identificato il gene che conferisce la resistenza e lo stanno introducendo nelle varietà commerciali Le piante sulla sinistra hanno il gene di resistenza e non mostrano i sintomi della malattiaa Song, J. et al.,(2003) PNAS 100: 9128-9133; Copyright (2003) National Academy of Sciences, U.S.A.

I biologi vegetali stanno studiando il modo di migliorare la conservazione post -raccolto Dopo il raccolto i frutti si ammorbidiscono, maturano e alla fine marciscono Questi processi rendono i frutti meno appetibili e ne inficiano le qualità nutritive http://hort.cals.cornell.edu/cals/hort/research/images/postharvest.jpg http://www.arc.agric.za/institutes/infruit/main/divisions/postharvestprocessing/fruitquality.htm Photo credits: Cornell University ; ARC

I biologi vegetali stanno studiando il modo di migliorare la conservazione post- raccolto Le perdite post-raccolto possono causare fino al 50% di perdite di sementi In patate conservate impropriamente si ha inverdimento e produzione di solanina. La solanina è tossica e pericolosa se assunta in grandi quantità. Aspergillus mold growing on corn kernels. Photo credits: Dr. C.M. Christensen, Univ. of Minnesota.; WSU; Pavalista, A.D. 2001

Il miglioramento del contenuto di nutrienti nelle piante può alleviare la malnutrizione Hunger Diete di sussistenza sono povere di nutrienti. Il nostro corpo ha bisogno di vitamine e minerali oltre che di calorie. La malnutrizione è una malattia della povertà Vitamin A deficiency For permissions permissions@who.int Anemia (young children) Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO

La pratica di fortificare i cibi con vitamine (folato, vitamina A) e micronutrienti (ferro, zinco, iodio) ha drasticamente ridotto la malnutrizione in grandi aree del mondo. Photo credit: © UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi

Cibo geneticamente fortificato Riso arricchito in ferro Pomodoro wild-type (sopra) e arricchito in antiossidanti (sotto) Riso arricchito in vitamina A () Photo credits: Golden Rice Humanitarian Board © 2007; Credit: ETH Zurich / Christof Sautter; Reprinted by permission from Macmillan Publishers, Ltd: Butelli, E., et al., Nature Biotechnology 26, 1301 - 1308 copyright (2008).

Le piante non forniscono soltanto cibo Fonti di nuove medicine Fonti di fibre per carta e stoffe Fonti di prodotti biorinnovabili Fonti di energie biorinnovabili Photo credit: tom donald

Le piante producono centinaia di molecole che utilizziamo come medicine o droghe Salice (Salix): dalla corteccia si ricava l’aspirina (acetylsalicylic acid) Digitale (Digitalis purpurea): si estrae la digitale (per il trattamento di patologie cardiache) Tasso americano(Taxus brevifolia): dalla corteccia il taxolo (per il trattamento di alcuni tipi di cancro) Caffè (Coffea arabica) e Te (Camellia sinensis): contengono la caffeina (stimolanti)

La malaria uccide milioni di persone Citation: Hay SI, Guerra CA, Gething PW, Patil AP, Tatem AJ, et al. (2009) A world malaria map: Plasmodium falciparum endemicity in 2007. PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048 Le regioni del mondo con il più alto rischio di malaria Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048

Il protozoo Plasmodium causa la malaria Plasmodium in una cellula di topo Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear. Frevert U, Engelmann S, Zougbédé S, Stange J, Ng B, et al. (2005) Intravital Observation of Plasmodium berghei Sporozoite Infection of the Liver. PLoS Biol 3(6): e192. Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear.

Plasmodium è trasmesso all’uomo da zanzare infette Photo credit: CDC

La corteccia del Cinchona contiene un composto, il chinino che uccide il Plasmodium Plasmodia are developing resistances to quinine, so other sources of antimalerial compounds must be found (Cinchona calisaya Wedd., quinine) from Köhler's Medizinal-Pflanzen in naturgetreuen Abbildungen mit kurz erläuterndem Texte : Atlas zur Pharmacopoea germanica Franz Eugen Köhler Plate from "Quinologie", Paris, 1854, showing bark of Quinquina calisaya (www.cdc.gov/malaria) Image credits: Köhler; CDC

Gin and chinino? Ai soldati inglesi nelle regioni tropicali venivano date pillole di chinino per prevenire la malaria.Per mascherare il suo sapore amaro, il chinino era mescolato con acqua carbonata, (tonica) e spesso anche con il gin. Di qui l’origine del “gin and tonic.” (Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160)

Ma il Plasmodium sta sviluppando resistenza al chinino, cosicchè sono necessari altri composti antimalarici Plasmodia are developing resistances to quinine, so other sources of antimalerial compounds must be found (Cinchona calisaya Wedd., quinine) from Köhler's Medizinal-Pflanzen in naturgetreuen Abbildungen mit kurz erläuterndem Texte : Atlas zur Pharmacopoea germanica Franz Eugen Köhler Plate from "Quinologie", Paris, 1854, showing bark of Quinquina calisaya (www.cdc.gov/malaria) Image credits: Köhler; CDC

Artemisia annua è una pianta con nuove proprietà antimalariche Artemisina Artemisia è usata da millenni nella medicina tradizionale cinese. Nel 1972 è stato isolato il composto attivo: l’artemisina. 2015: Nobel a Youyou Tu per la scoperta dell’artemisina, dalla medicina tradizionale cinese Photo credit: www.anamed.net

Le piante possono essere modificate per produrre anticorpi o vaccini edibili ?

Le cellule vegetali forniscono materiali utili Il legno è composto di pareti cellulari vegetali Photo credit: tom donald

Pareti cellulari La parete primaria è composta da polisaccaridi e proteine Alcune cellule producono la parete secondaria in cui è presente un polimero insolubile e molto resistente: la lignina Photo credit: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20:2763-2782 .

Legno e fibre si trovano ovunque Vestiti (lino, cotone) carta Le tele da pittura sono fatte con fibre di lino. Mobili e costruzioni (legno) Rembrandt van Rijn (1631)

Le piante forniscono carte e stoffe http://cottongenomics.biosci.utexas.edu http://www.cottonpromotion.org/features/bremen/ Si sta studiando il miglioramento genetico del cotone per una maggiore resistenza alle malattie e una maggiore produttività Photo credits: Chen Lab; IFPC

Il genoma del pioppo, una delle principali fonti di cellulosa per la carta è stato di recente sequenziato Questa informazione è utilizzata per il miglioramento della produttvità Photo credit: ChmlTech.com

Le piante possono rimpiazzare il petrolio per molti prodotti e usi Sfortunatamente ci vogliono milioni di anni per convertire la materia organica in petrolio ...e ..sta finendo! Il petrolio NON è una fonte rinnovabile When I grow up I want to be a fossil fuel creativecartoons.org.

Le piante possono fornire biocombustibili Zuccheri, amido e cellulosa possono essere fermentati a etanolo Energia solare http://genomicsgtl.energy.gov/biofuels/placemat.shtml Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

Le piante possono fornire biodiesel Il Biodiesel prodotto da colza, alghe e soia sta rimpiazzando il diesel derivato dal petrolio Image sources: Tilo Hauke, University of Minnesota, Iowa State University Extension.

Le piante per produzioni bioenergetiche non dovrebbero ridurre la produzione alimentare o alterare i prezzi Miscanthus giganteus è una perenne a crescita rapida per bioenergia che cresce su terreni inadatti a produzione alimentare Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

Pareti cellulari da fusti di grano, mais o altri residui L’etanolo prodotto dalla cellulosa delle pareti cellulari è un’ importante fonte di energia Pareti cellulari da fusti di grano, mais o altri residui Ethanol Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory

Le piante possono fornire risorse biorinnovabili e biodegradabili http://i76.photobucket.com/albums/j14/biopact/biodegradable_bags.jpg Biodegradation Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

Perche studiare le piante? Lo studio delle piante migliora la nostra conoscenza della vita e ci aiuta a nutrirci meglio a proteggerci, a mantenerci sani e più felici

Principali argomenti del corso 1) Le piante: principi unificanti; la cellula vegetale; la parete cellulare 2) L’acqua: il trasporto dell’acqua nella pianta; trasporto xilematico; il trasporto di membrana; il trasporto floematico 3) Fotosintesi: reazioni alla luce; reazioni di assimilazione del carbonio; sintesi di saccarosio ed amido; adattamenti ambientali della fotosintesi 4) Nutrizione minerale: assimilazione dell’azoto, fosfato, zolfo 5) Accrescimento e sviluppo: embriogenesi; gli ormoni vegetali; il fitocromo; la fioritura