Prof. Mauro Marra stanza 349;Tel: 0672594349 Fisiologia Vegetale Orario: 14:16 mercoledi Aula G2A LIBRO DI TESTO: TAIZ ZEIGER.

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1 Prof. Mauro Marra stanza 349;Tel: 0672594349 Email: marra@uniroma2.it Fisiologia Vegetale Orario: 14:16 mercoledi Aula G2A LIBRO DI TESTO: TAIZ ZEIGER PICCIN

2 Perchè studiare le piante?

3 Per superare l’esame di Fisiologia Vegetale!

4 Le piante, come molti animali, sono eucarioti multicellulari Bacteria Archaea Animals Plants Fungi Antenati comuni Photo credits: Public Health Image Library; NASA; © Dave Powell, USDA Forest Service; tom donald

5 Le piante sono diverse 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 Images courtesy tom donaldtom donald

6 Le piante ci rendono felici Dravigne, A, et al., (2008) HortScience 43: 183-187 ; Photo credit: tom donaldtom donald Ambienti di lavoro “verdi” determinano un maggior grado di benessere nel lavoratore.

7 Le piante sono organismi viventi stupefacenti Largest flower (~ 1m) Longest living (~ 5000 years) Largest organism (> 100m) Photo credits: ma_suska; Bradluke22; Stan Shebsma_suskaBradluke22Stan Shebs

8 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

9 Non possiamo vivere senza ossigeno! X X NO oxygen Joseph Priestley riconobbe che la respirazione “avvelenava” l’aria. Un animale tenuto in un contenitore chiuso alla fine muore

10 Non possiamo vivere senza ossigeno ! Oxygen produced 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

11 Le piante fissano la CO 2 in molecole ricche di energia che gli animali consumano come cibo CO 2 Le piante convertono la CO 2 in zuccheri attraverso la fotosintesi

12 Le piante producono una enorme varietà di molecole utili vitamin A vitamin C vanillin caffeine morphine CO 2

13 Perchè studiare le piante? Per imparare a proteggere le specie e gli ambienti naturali minacciati Per saperne di più sulla natura Per migliorare le capacità delle piante di fornirci cibo, medicine ed energia Photo credit: tom donaldtom donald

14 Lo studio delle piante ci informa riguardo al nostro mondo Drawing of cork by Robert Hooke, discoverer of “cells” Le cellule sono state osservate per la prima volta nelle piante. Photograph of cork cells Photo credit: ©David B. Fankhauser, Ph.D©David B. Fankhauser, Ph.D

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

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

17 ...che ci aiutano a comprendere malattie umane come l’anemia falciforme

18 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

19 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

20 PERCHÈ STUDIARE LE PIANTE?

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

22 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

23 “La rivoluzione verde” Distinguished plant breeder and Nobel Laureate Norman BorlaugNorman Borlaug 1914-2009 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 Photos courtesy of S. Harrison, LSU Ag center and The World Food Prize.LSU Ag centerThe World Food Prize

24 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)FAO news release,

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

26 COSA POSSONO FARE GLI SCIENZIATI?

27 Sviluppando piante che  Siano resistenti alla siccità e agli stress  Richiedano meno acqua e fertilizzanti  Siano resistenti ai patogeni  Siano piu nutrienti Gli scienziati delle piante possono contribuire ad alleviare la fame

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

29 Lo stress idrico aggravato è dall’aumento globale della temperatura 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 ProjectThe PESETA Project Temperature change forecast 2071-2100 period, relative to the 1961-1990 period.

30 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

31 Abbiamo bisogno di piante capaci di crescere bene in condizioni di stress Calore e siccità riducono le rese dei raccolti Aree più vaste debbono essere utilizzate (deforestazione) La rimozione degli alberi causa maggiori emissioni di CO 2 nell’atmosfera

32 L’alterazione di un singolo gene può incrementare la resistenza alla siccità Yu, H., et al. Plant Cell 2008;20:1134-1151 After re-watering Well-watered 10 days drought20 days drought Drought-resistant Wild-type

33 Un sistema radicale più esteso contribuisce alla resistenza alla siccità SeedlingsMature plants Wild-type Drought tolerant 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

34 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-USW361-374LC-USW361-374

35 L’uso dei fertilizzanti è una fonte di inquinamento ambientale Photo courtesy of NASA/Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studio) L’eliminazione dei fertilizzanti causa fioriture algali e poi decadimento, riducendo i livelli di ossigeno e rendendo la vita animale impossibile.

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

37 Gli scienziati incrociando piante da raccolto con piante perenni sperano di ridurre la dipendenza da acqua e fertilizzanti Wes Jackson of the Land Institute con Thinopyrum intermedium, un parente selvatico del grano Piante perenni assumo acqua e nutrienti in maniera più efficiente della maggior parte delle piante da raccolto Photo credit: Jodi Torpey, westerngardeners.comwesterngardeners.com

38 due gravi malattie minacciano i raccolti mondiali 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.orgwww.news.cornell.edu

39 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. (Photo credits: USDA; Scott Bauer) Infected Treated

40 Identificazione dei geni di resistenza Resistente Inoculate col fungo Non inoculate Suscettibile 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 genetisti agrari hanno identificato il gene che conferisce la resistenza e lo stanno introducendo nelle varietà commerciali

41 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 USDAARS USDA

42 I biologi vegetali stanno studiando il modo di conservare le piante dopo il 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 Photo credits: Cornell University ; ARCCornellARC

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

44 Vitamin A deficiency 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 Anemia (young children) Il miglioramento del contenuto di nutrienti nelle piante può alleviare la malnutrizione Image sources: Petaholmes based on WHO data; WHO PetaholmesWHO dataWHO

45 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© UNICEF/NYHQ1998-0891/Giacomo Pirozzi

46 Cibo geneticamente fortificato () Riso arricchito in ferro Pomodoro wild-type (sopra) e arricchito in antiossidanti (sotto) 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).Golden Rice Humanitarian Board © 2007;ETH Zurich / Christof Sautter Riso arricchito in vitamina A

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

48 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)

49 La malaria uccide milioni di persone Le regioni del mondo con il più alto rischio di malaria Hay, S.I., et al., Hay, S.I., et al., (2009) PLoS Med 6(3): e1000048. doi:10.1371/ journal.pmed.1000048

50 Il protozoo Plasmodium causa la malaria Plasmodium in una cellula di topo Image by Ute Frevert; false color by Margaret Shear.

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

52 La corteccia del Cinchona contiene un composto, il chinino che uccide il Plasmodium Ma il Plasmodium sta sviluppando resistenza al chinino, cosicchè sono necessari altri composti antimalarici Image credits: Köhler; CDCKöhlerCDC

53 Gin and chinino? (Crown copyright; Photograph courtesy of the Imperial War Museum, London - Q 32160) 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.”

54 Artemisia annua è una pianta con nuove proprietà antimalariche Photo credit: www.anamed.net Artemisina Artemisia è usata da millenni nella medicina tradizionale cinese. Nel 1972 è stato isolato il composto attivo: l’artemisina

55 Gli scienziati vegetali stanno sviluppando delle varietà di Artemisia annua super produttrici di artemisina Photo credit: www.york.ac.uk/org/cnap/artemisiaproject/

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

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

58 Pareti cellulari Photo credit: www.wpclipart.com/plants; Zhong, R., et al., (2008) Plant Cell 20:2763-2782.www.wpclipart.com/plantsZhong, R., et al., 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

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

60 Le piante forniscono carte e stoffe Si sta studiando il miglioramento genetico del cotone per una maggiore resistenza alle malattie e una maggiore produttività Photo credits: Chen Lab; IFPCChen LabIFPC

61 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.comChmlTech.com

62 Le piante possono rimpiazzare il petrolio per molti prodotti e usi creativecartoons.org creativecartoons.org. Sfortunatamente ci vogliono milioni di anni per convertire la materia organica in petrolio...e..sta finendo! Il petrolio NON è una fonte rinnovabile Da grande voglio diventare un combustibile fossile

63 Le piante possono fornire biocombustibili Energia solare Image source: Genome Management Information System, Oak Ridge National LaboratoryGenome Management Information System, Oak Ridge National Laboratory Zuccheri, amido e cellulosa possono essere fermentati a etanolo

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

65 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

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

67 Biodegradation Le piante possono fornire risorse biorinnovabili e biodegradabili Photo Illustration courtesy S. Long Lab, University of Illinois, 2006

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