L’acqua nello xilema e la misura di Ψw

Dalla terra al cielo (II)

Cambia la componente rilevante Ψ = Ψs + Ψp + Ψg Nel passaggio da cellula a materiale inerte (parete, suolo) si ha in genere un’inversione nella componente maggioritaria che determina il valore del potenziale idrico (Ψ): Nelle cellule la pressione (Ψp) è in genere elevata e positiva, mentre la componente osmotica (Ψs) è grande (e ovviamente negativa). Nel suolo, nello xilema e in genere nelle pareti (es. mesofillo) la pressione (Ψp) è negativa mentre la componente osmotica (Ψs) è piccola (e ancora negativa). La teoria prevede la presenza di pressioni grandi e negative a livello dello xilema

L’acqua lascia le cellule e ritorna nell’apoplasto a livello dei vasi dello xilema I vasi xilematici sono morti a maturità Hanno i tipici ispessimenti lignificati delle pareti secondarie Sono impermeabili perché impregnati di lignina e suberina. L’acqua può passare anche trasversalmente da un vaso all’altro attraverso le areolature (pits) che hanno solo una parete primaria molto porosa e sottile

Elementi delle trachee I vasi possono essere di diverso tipo con estremità aperte o chiuse. Nelle gimnosperme (conifere) si trovano perforazioni con bordi areolati Piastra perforata Areolature (pits) Parete secondaria Coppia Parete primaria Tracheidi Elementi delle trachee

1- resistenza Trachea Tracheidi Le pareti sono spesso rinforzate per non collassare Trachea Tracheidi

Elemento delle trachea I vasi xilematici sono pieni di perforazioni nelle pareti laterali

Tipi diversi di rinforzi

TEORIA COESIONE-TENSIONE Esiste un grosso problema: l’acqua in tensione è in uno stato metastabile, la colonna d’acqua tende a rompersi! TEORIA COESIONE-TENSIONE La coesione delle molecole d’acqua forma delle catene di molecole all’interno dei vasi dello xilema. Queste colonne d’acqua si muovono dal basso verso l’alto tirate da una pressione negativa (tensione) generata a livello delle foglie. Come facciamo a verificare che realmente nello xilema ci siano valori di tensione vicini a quelli prvisti dalla teoria?  Occorre misurare il potenziale idrico

Come si misura Ψw- Ψs - Ψp ? psicrometria isopiestica camera a pressione osmometro crioscopico micromanometro (Ψp) sonda di pressione (Ψp) bilancia centrifuga

La temperatura del sensore dello psicrometro dipende dal potenziale idrico della soluzione relativo a quello del campione di tessuto.

Bomba a pressione germoglio sigillato in una camera pressurizzabile con un gas Menischi nei vasi della pianta

Stato della colonna d’acqua all’interno dello xilema in tre momenti diversi. In (A) lo xilema non è reciso ed è sotto pressione negativa, o tensione. In (B) il germoglio viene reciso e porta al ritiro dell’acqua all’interno del tessuto, lontano dalla superficie di taglio, in risposta alla tensione all’interno dello xilema. In (C) la camera viene pressurizzata riportando il succo xilematico verso la superficie di taglio.

Con l’osmometro crioscopico si misura la concentrazione totale dei soluti disciolti misurando l’abbassamento del punto di congelamento di una soluzione. Es. vedere: http://hcs.osu.edu/hcs604/psychrometer.htm (A) Campioni di liquido vengono messi sul piatto portaoggetti e raffreddati fino al congelamento (B). L’innalzamento della temperatura porta allo scongelamento dei campioni (C). L’osservazione della temperatura alla quale l’ultimo cristallo di ghiaccio si fonde fornisce il preciso punto di fusione del campione.

Micromanometro Per misurare la pressione di turgore cellulare in cellule di grandi dimensioni (es. cellule di Nitella: 100 μm di diametro e numerosi cm di lunghezza).

Sonda per misurare la pressione nelle cellule Sonda di pressione. Il volume cellulare viene turbato (importante per le piccole cellule tipiche delle piante superiori, dove la perdita anche di pochi picolitri (10−12 l) può ridurre sostanzialmente la pressione di turgore. -Sistema miniaturizzato con capillare riempito di olio

Quando la punta entra nella cellula, la pressione di turgore cellulare spinge indietro l’interfaccia olio-acqua. Si può controbilanciare la pressione di turgore spingendo il pistone in avanti fino a rispostare l’interfaccia olio-acqua al punto iniziale. Si misura la pressione applicata (con un sensore di pressione) che corrisponde alla pressione idrostatica della cellula. Usato anche per misurare tensione nello xilema: il problema è che in un sistema sotto tensione (in cui non esiste una membrana) basta che attraverso il varco aperto nel punto di inserzione del capillare si inserisca una bolla d’aria ed il vaso cavita.  Non è un sistema adeguato per misurare la tensione nei vasi.

Misura di Pxyl sonda di pressione Bomba a pressione

Bilancia http://www.doctortee.com/dsu/tiftickjian/cse-img/botany/plant-phys/water-potential/wt-chng-graph.png Valore di Ψw Il tessuto assume o perde acqua se il potenziale idrico è diverso da quello della soluzione Si pesa un pezzo di tessuto e lo si immerge. Dopo un certo tempo si ripesa Serie di soluzioni a conc. di sali crescente (e quindi Ψw nota)

Una centrifuga per misurare Ψp nello xilema Il valore di tensione a cui viene spinta fuori l’acqua dipende dalla velocità di rotazione (Alder et al. 1997) Quando la velocità di rotazione crea una tensione sufficiente determina la cavitazione dei vasi e l’uscita dell’acqua

Il dato della centrifuga è in accordo con il dato della bomba a pressione

La verifica della teoria Tensione-adesione-coesione Il movimento dell’acqua nella pianta si spiega: * La concentrazione di vapor d’acqua è maggiore nella foglia che fuori  l’acqua diffonde fuori attraverso gli stomi (traspirazione). * Questo crea una tensione nel mesofillo che richiama acqua dallo xilema della vena più vicina verso l’apoplasto intorno al mesofillo * La rimozione di acqua dalla vena crea una tensione che si trasmette lungo lo xilema, così che la colonna d’acqua è richiamata dalle redici.

Dalla terra al cielo (III)

Questioni sulla teoria Tensione Adesione Coesione: Esistono veramente valori di tensioni compatibili con l’ascesa della linfa grezza nello xilema? (essenzialmente sì) I valori sono compatibili con il minimo richiesto per la salita contro il potenziale gravitazionale e per il flusso in condotti di così piccola dimensione? Come mai alcune piante riescono a resistere bene a condizioni di carenza d’acqua mentre altre perdono velocemente la capacità di crescere e muoiono se non sono irrigate?

Effetto della luce sulla Pxyl La tensione tende ad aumentare (pressione sempre più negativa) all’aumentare della traspirazione (che aumenta con la temperatura della foglia)

Sequoia gigante Sequoiadendron giganteum Cosa ci aspettiamo che succeda al potenziale idrico risalendo il tronco? dPs/dx = -0.01 MPa /m Per ogni 10 metri di risalita, Ψw aumenterà di 0.1 MPa per il solo effetto della gravità. Per fare fluire la soluzione nello xilema occorrerà un gradiente di Ψw maggiore di (0.1MPa /10 m) per vincere la resistenza al flusso che si sperimenta nei tubi (v. Poiseuille) Diapositiva da: jan.ucc.nau.edu/gwk/Bio4262006/Lecture7Feb3,2006.ppt

La pressione nello xilema diminuisce risalendo lungo il tronco come previsto dalla teoria di tensione-coesione. Gravity rules! slope = -0.0096 ± 0.0007 MPa m-1 R2 ≥ 0.97, p < 0.0001 Predawn Slope expected due to gravity Diapositiva da: jan.ucc.nau.edu/gwk/Bio4262006/Lecture7Feb3,2006.ppt

Il flusso di massa governa lo spostamento dell’acqua nello xilema dalle radici alle foglie Qual’è il P minimo richiesto per far risalire l’acqua? Raggio vasi = 40 m Velocità salita misurata: 4 mm/s x = altezza su cui calcoliamo la differenza di pressione Applico Poiseuille, nella formulazione di densità di flusso Jv (m/s) Jv = [(r2/8)]P/x 4 = [(40)2 /8 (10-3)]  ( P/x) P/x = 0.02 MPa/m  Per 100 m = 2MPa  E’ richiesto un salto minimo di -2MPa (in effetti c’è anche da tener conto della resistenza).

Perchè non c’è cavitazione? * Legami a idrogeno  alta coesione tra le molecole d’acqua * Quanto più stretto il tubo, tanto maggiore la tensione che la colonna d’acqua può sopportare senza rottura * Il mantenimento della colonna d’acqua è permesso anche dall’adesione delle molecole alle pareti del tubo La cavitazione si verifica per un valore soglia che dipende dalla specie

Perdita di conduttività Il valore di Ψ a cui si ha la perdita di conduttività (causata dalla formazione di emboli) dipende dalla specie in esame e ultimamente dalle dimensioni dei pori nella parete che a loro volta determinano la forza che occorre per far passare l’aria attraverso di essi. la perdita di conduttività dipende dalla forza centrifuga e non dal tempo della sollecitazione

May 17, 2003 North of San Francisco Peaks Diapositiva da: jan.ucc.nau.edu/gwk/Bio4262006/Lecture7Feb3,2006.ppt

September 20, 2003 North of San Francisco Peaks Diapositiva da: jan.ucc.nau.edu/gwk/Bio4262006/Lecture7Feb3,2006.ppt

Se ammettiamo la validità della teoria TAC, ne consegue: 1- le strutture devono essere resistenti per non collassare 2- la colonna d’acqua deve avere alta forza tensile per non rompersi 3- se entra l’aria richiamata dalla depressione si formano delle bolle che interrompono la colonna d’acqua.

2- forza tensile L’acqua sotto tensione è in uno stato fisicamente metastabile Man mano che la pressione scende, l’acqua tende a passare in fase gassosa (pressione di vapor saturo 0.002 MPa; tensione nello xilema: fino a -3 MPa) La coesione e l’adesione innalzano l’energia di attivazione del cambiamento di fase da liquido a vapore. La struttura dello xilema minimizza la presenza di punti di nucleazione. E’ stato dimostrato che una colonna di acqua pura (senza particolato, deionizzata e degasata) in un capillare resiste bene alle tensioni che si sviluppano all’interno dello xilema. Una soluzione salina resiste meno rispetto all’acqua ma ancora bene rispetto ai valori di tensione misurati nello xilema (è la presenza di gas disciolti che fa crollare la resistenza). I valori di tensione misurati nello xilema sono in genere inferiori a quelli necessari per la cavitazione

3- bolle d’aria Si chiama CAVITAZIONE. La pressione negativa richiama aria dagli spazi intercellulari del fusto. L’aria si infila negli interstizi fra cellula e cellula ed entra nei vasi dello xilema. Un gas non resiste alla forza tensile. Si dilata espandendosi e interrompe la colonna d’acqua bloccando il vaso.

Cavitazione Una volta che un vaso va incontro a cavitazione, diventa cruciale evitare che la bolla di aria si propaghi nei vasi confinanti. Cosa regola la propagazione delle bolle? Quali meccanismi esistono per limitare il fenomeno?

Air seeding hypothesis La superficie dei vasi rappresenta il punto debole a causa delle numerose punteggiature (aperture) nella parete che mettono in comunicazione il vaso che trasporta con vasi ormai pieni d’aria. L’entrata di una bollicina d’aria rappresenta l’inizio della catastrofe

Nelle angiosperme le bolle d’aria entrano attraverso le perforazioni nella parete dei vasi La capacità di una specie di resistere alla cavitazione (e quindi di crescere in climi aridi) dipende principalmente dalla diametro delle perforazione tra i vasi. Le piante possiedono diversi meccanismi per limitare la propagazione delle bolle. Ad esempio le angiosperme possiedono punteggiature areolate

Punteggiature nelle gimnosperme Visione di lato (ingrandita) Visione di lato in sezione Immagini da: www.biologie.uni-hamburg.de/b-online/e06/hoftupf.htm

Quando un vaso cavita, il toro si stampa contro gli ispessimenti del bordo della punteggiatura e blocca il passaggio

Una volta che si forma la bolla (che penetra da un vaso vuoto adiacente), questa si espande velocemente e fa perdere di conduttività al vaso. L’espansione della bolla rende più acqua disponibile e fa diminuire la tensione. La bolla tende a fermarsi quando incontra delle perforazioni (ad es. tra un elemento del vaso ed il successivo)

Guttazione Gocce in corrispondenza degli idatodi (terminali delle trachee) Normalmente nello xilema c’è tensione, non pressione positiva In condizioni di suolo ricco d’acqua e bassa traspirazione si può osservare il fenomeno della guttazione. Testimonia che in queste condizioni può svilupparsi una pressione positiva nello xilema.

La conduttanza dello xilema può essere modificata? La conductanza idraulica aumenta quando lo xilema contiene una soluzione salina Le pectine presenti nella parete si contraggono in presenza di K+ Effect of KCl concentration on flow rate through xylem. Numbers above the curves indicate KCl concentration (mM). Note the increasing flow rates with KCl. Both reversible and repeatable Pit membranes are altered by the swelling and contraction of pectins (hydrogels) allowing the xylem to alter internal rates of flow. Zwieniecki et al., (2001)

In sintesi La teoria TAC ha ampio riscontro sperimentale (presenza di tensione nello xilema) Nonostante lo stato metastabile, di solito la colonna d’acqua non si rompe (coesione-adesione) La resistenza alla cavitazione dipende dalla dimensione delle perforazioni NON da quelle dei vasi (air seeding) La conduttanza idraulica può variare in presenza di concentrazioni fisiologiche di sali

Bibliografia Tyree M.L. (1997) The Cohesion-Tension theory of sap ascent: current controversies J. Exp Botany 48:1753-1765 http://jxb.oxfordjournals.org/cgi/reprint/48/10/1753 Wei C, Steudle E, Tyree MT. (1999) Water ascent in plants: do ongoing controversies have a sound basis? Trends Plant Sci. 4:372-375. Zwieniecki et al., (2001) Hydrogel control of xylem hydraulic resistance in plants. Science 291:1059-1062.