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) Risposta della conduttanza stomatica all’azione 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)

O3 [O3]i [CO2]i CH2O Assimilazione CO2 Flusso soglia Antiossidanti Traslocazione O3 Meccanismi riparazione Conduttanza stomatica [O3]i RADICI FUSTI FOGLIE (modificato da Fuhrer, 2003)

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 all’ozono (FO3), su foglie di Quercus ilex L. poste in condizioni sperimentali naturali. Cinque anni di biomonitoraggio passivo sono stati condotti su una lecceta naturale posta all’interno della tenuta Presidenziale di Castelporziano a sud di Roma. Per l’analisi dei dati sono state utilizzate differenti approcci statistici: regressione multipla lineare e l’analisi delle reti neurali (Neural Network Analysis (NNA)). Manes, Vitale, Di Traglia (2005. Plant Biosystems 139(3): 265 – 278

Gli andamenti del flusso cumulato di ozono e dell’AOT40 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., 2006 - inviato a Atmospheric Environment) AOT40 e flussi stomatici di ozono (FO3) relativi alle campagne di misura 2003-2004. 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.

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

COND = - 64.63 – 3.05VPD + 33.26TRASP + 7.73PHOTO + 209.40Ci/Ca, R2adj = 0.676 PHOTO = 20.76 + 0.001PAR – 0.31TEMP + 0.758TRASP + 0.022COND – 17.17Ci/Ca, R2adj=0.653 L’analisi 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.

R2 = 0.99 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. VPD Trasp Photo Ci/Ca H1 H2 H3 H4 Cond O3s

R2 = 0.96 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). L’alta 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 l’assorbimento stomatico di ozono (FO3). Phar Tair Trasp Cond Ci/Ca O3s H1 H2 H3 Photo FO3s

Conclusioni 1° caso di studio La risposta funzionale di Q. ilex analizzata rispetto ai trend delle concentrazioni di ozono, dell’assorbimento stomatico di ozono e dei parametri ambientali suggeriscono l’esistenza di relazioni non lineari come evidenziato dall'analisi neurale. L'effetto dell’ozono sulla fotosintesi è funzione dell’assorbimento stomatico di O3 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

Conclusioni 1° caso di studio 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 nell’area mediterranea diventa un fattore critico. Nel leccio, data l’assenza del danno morfologico, si è osservata una sequenza molto complessa dei rapporti fra le variabili che interagiscono a vicenda. In conseguenza di ciò l’analisi statistica lineare ha fornito scarsi risultati rispetto a quelli che derivano dall’analisi neurale. Ciò è importante nella valutazione dei livelli critici basati sulle concentrazione di ozono poiché la concentrazione di O3, di per sé, non è stata considerata un parametro influente sulla fotosintesi e sulla conduttanza stomatica dall’analisi neurale, mentre ha rappresentato una variabile importante insieme alla temperatura nell'analisi lineare.

2° caso di studio ESPERIMENTO DI FUMIGAZIONE CON OZONO IN AMBIENTE CONTROLLATO SU PIANTINE DI Quercus ilex, IRRIGATE E NON IRRIGATE. Obiettivo: determinare l’impatto combinato di stress idrico e O3 sul comportamento stomatico del leccio. Set –O3+H2O: controllo, non fumigato e irrigato; Set O3+H2O: irrigato, fumigato a 250ppb di O3 x 4 h x 5 gg x 4 settimane; Set O3-H2O: non irrigato, fumigato a 250ppb di O3 x 4 h x 5 gg x 4 settimane. 22000 ppb h

http://www.colorado.edu/Chemistry/grad/faculty/Fall/lab/) da Fall, 1999

L’emissione 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 all’interfaccia foglia – atmosfera. Niinemets, Loreto, Reichstein (2004). TRENDS in Plant Science 9(4): 180-186

Scambi gassosi fogliari

Conduttanza stomatica: tabelle di correlazione semplice e parziale

Fluorescenza fogliare L’ozono non ha effetti sulla fase luminosa della fotosintesi nel leccio del set idratato

O3 uptake, emissione di monoterpeni (a) e dei prodotti risultanti dall’attività della Lipo-ossigenasi (b), a 30°C. La sintesi e l’emissione di VOCs implica un loro ruolo protettivo (Loreto et al., 2004). Nel set O3+H2O l’elevata emissione di monoterpeni permette il mantenimento dell’attività fisiologica con una concentrazione cumulata esterna di O3 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 O3-H2O, che causava un elevato stress ossidativo “interno“ e la riduzione degli scambi gassosi. Si rivela un’intensa attività di perossidazione già alla 2° settimana di fumigazione.

Scambi gassosi fogliari diurni (durante le fumigazioni) e notturni: set O3+H2O Gli scambi gassosi diurni misurati sul set (O3+H2O) mostrano una riduzione di Gs durante la 3° settimana di fumigazione. Durante le rispettive notti successive alle fumigazioni Gs tende ad aumentare.

Importanti effetti in condizioni di campo: Scambi gassosi fogliari diurni e notturni nei fine settimana: set O3+H2O Importanti effetti in condizioni di campo: aumento del flusso di O3 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) 360.48% rispetto al pre-trattamento; F=157.14, p<<0.05

Conclusioni del 2° caso di studio L’ozono 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 l’entrata di O3 nella foglia e sembra imporre una severa limitazione all’efficienza della resa quantica del PS II; I monoterpeni mostrano un ruolo protettivo contro l’O3, ma tale ruolo sembra ridotto dall’effetto dello stress idrico sull’assimilazione del carbonio; L’esposizione diurna all’O3 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 all’O3 in condizioni naturali per periodi lunghi di tempo. Vitale M., Salvatori E., Loreto F., Fares S., Manes F., 2006. Inviato a Environmental Pollution

Grazie per la vostra attenzione !

Conclusioni 1° caso di studio L‘applicazione dell’analisi neurale era già stata utilizzata da Ball ed altri (2000) su un data set di Trifolium repens sensibile all’O3 con la quale avevano descritto tutti i fattori che interessano il rapporto tra la biomassa del trifoglio resistente e quella del sensibile all’O3 indicando che l'indice AOT40 era un fattore importante che interessava tale rapporto; gli autori però non avevano considerato l’assorbimento stomatico di ozono nella loro analisi neurale.

Ozono troposferico: ciclo di formazione e distruzione

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.