12942 - FISIOLOGIA MOLECOLARE DELLE PIANTE

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente assimila con visione critica ed approfondita, sotto il profilo molecolare, le principali tematiche della fisiologia vegetale (trasporto, fotosintesi, metabolismo, nutrizione minerale, fotomorfogenesi e regolazione ormonale).

Contenuti

Di seguito il programma dettagliato del corso (che può essere modificato di anno in anno).

Introduzione: Arabidopsis thaliana come principale specie modello in fisiologia vegetale molecolare.

1. Trasporti di membrana. Pompe protoniche e non della cellula vegetale. L'ATPasi protonica della membrana plasmatica: struttura, meccanismo d'azione, regolazione. Il potenziale di membrana: componente diffusiva e componente elettrogenica. Potenziale elettrochimico.Basi termodinamiche della stechiometria delle ATPasi protoniche della membrana plasmatica e del tonoplasto.Permeasi: bioenergetica del caricamento apoplastico del saccarosio nel floema. Canali: famiglia Shaker di canali per il potassio. Potenziale di membrana ed equilibrio del potassio. Ruolo dei sistemi di trasporto ionico nell'apertura e chiusura degli stomi.

2. Relazioni idriche cellulari.Acquaporine. Forze che influiscono sui movimenti dell'acqua a livello cellulare: pressione idrostatica (P) e pressione osmotica (π). Potenziale idrico (Ψw), di pressione (Ψp) e osmotico (Ψs). Relazione tra potenziale chimico e idrico. Calcolo del potenziale di pressione intracellulare conoscendo le concentrazioni interne ed esterne dei soluti.Apertura/chiusura degli stomi e variazione di Ψs. Crescita cellulare per distensione e variazione di Ψp. Teoria della crescita acida. Indebolimento della parete da ROS (Teoria “redox” della crescita cellulare).

3.Relazioni idriche nella pianta intera. Continuum suolo-pianta-atmosfera.Potenziale idrico nel suolo, assorbimento radicale e ΔΨw. Pressione radicale e guttazione. Movimento del succo xilematico e ΔΨp. Traspirazione e ΔCwv. Effetto temperatura su ΔCwv. Velocità di traspirazione, resistenza stomatica (rs) e resistenza dello strato limite (rb).

4. Nutrizione minerale e assimilazione (N e Fe). Elementi nutritivi essenziali. Nutrizione minerale in agricoltura. Micorrize. Strategie di assorbimento del ferro in graminacee, e in dicotiledoni e monocotiledoni non graminacee. Azoto: carenza ed eccesso. Assorbimento e riduzione del nitrato ad ammonio. Assimilazione dell'ammonio (GS-GOGAT). Biosintesi aminoacidi aromatici: glifosato e piante transgeniche.

5A. Fotosintesi (fase luminosa). Luce, emissione solare e assorbimento atmosferico, luce PAR, energia della luce. Anatomia dei cloroplasti. Pigmenti fotosintetici: clorofille e carotenoidi. Interazione luce-clorofilla e modalità di dissipazione dell'energia di eccitazione. Concetto di fotosistema. Struttura del fotosistema II: centro di reazione, antenna interna, antenna esterna, complesso di evoluzione dell'ossigeno, organizzazione supramolecolare. Funzionamento del PS-II.Relazione tra potenziale redox ed energia della luce. Fotolisi dell'acqua. Riduzione dei chinoni.Citocromo b6f. Ciclo Q. Struttura e funzionamento del fotosistema I. Analogie tra PS-II e PS-I. ATPsintasi dei cloroplasti. Bioenergetica della foto-fosforilazione. Schema Z. Trasporto fotosintetico non ciclico (lineare), ciclico e pseudo-ciclico. Distribuzione dei fotosistemi nei tilacoidi. Transizione di stato I-stato II. Rapporti stechiometrici tra fotoni assorbiti, ossigeno svolto, protoni accumulati nel lume, NADPH e ATP prodotti. Resa quantica del trasporto linerare e ciclico.

5B. Fotosintesi (metabolismo). Metabolismo del carbonio. Rubisco: struttura, reazioni, regolazione.Ciclo di Calvin e regolazione luce/buio. Tioredossine. Regolazione di GAPDH e PRK tramite CP12. Rapporto tra reazione carbossilasica e ossigenasica della Rubisco. Fotorespirazione. Calcolo del costo energetico della fotorespirazione. Fotosintesi lorda e netta. Punto di compensazione per la CO2 e concentrazione interna di CO2.Meccanismi di concentrazione della CO2. Piante C4: schema metabolico generale, anatomia e differenziazione tra cloroplasti. Costo energetico della concentrazione della CO2, confronto con le piante C3. Punto di compensazione per la CO2 nelle piante C4. Fotosintesi netta in funzione della temperatura nelle piante C3 e C4. Efficienza nell'utilizzo dell'acqua. Piante CAM. Introduzione ai rapporti metabolici tra amido e saccarosio.Esporto dei triosi fosfati dal cloroplasto alla luce e biosintesi citosolica del saccarosio. Biosintesi dell'amilosio/amilopectina. Architettura del granulo. Ruolo del fosfato inorganico nei rapporti metabolici tra sintesi del saccarosio e sintesi dell'amido.Sink e source. Degradazione al buio dell'amido primario. Floema: anatomia e citologia. Composizione del succo floematico. Caricamento apoplastico e simplastico del floema. Raffinosio e polialcoli. Trasporto floematico. Relazioni idriche tra floema e xilema.

6. Respirazione. Funzioni della respirazione nelle piante. Conversione di saccarosio in esosi. Glicolisi citosolica e plastidiale. Bypass citosolici della glicolisi. Via dei pentosi fosfati e differenze di regolazione tra citosol e cloroplasto. Ciclo di Krebs. Catena respiratoria: NAD(P)H deidrogenasi esterne e interne, ossidasi alternativa, proteina disaccoppiante. Stechiometria ATP/H+ della sintesi mitocondriale di ATP.

7. Fotomorfogenesi. Scoto e foto morfogenesi. Classi di fotorecettori vegetali. Fitocromi: struttura molecolare, fotoconversione, spettro d'assorbimento, stato fotostazionario, spettri d'azione. Traslocazione nel nucleo di Pfr e modificazione dell'espressione genica. Famiglia dei geni Phy e molteplicità di risposte: VLFR. LFR, HIR. Concetti di fluenza, irradianza, reciprocità, foto reversibilità. Fuga dall'ombra.Criptocromi CRY. De-eziolamento e inibizione dell'allungamento dell'ipocotile: ruolo di CRY1 e fitocromi. Struttura dei critpocromi. Fototropine.

8. Ormoni. Concetti generali. Auxine, naturali e di sintesi. Biosintesi e coniugazione dell'IAA. Gene reporter GUS e promotore DR5 sensibile alle auxine. Trasporto dell'auxina: floematico e polare (AUX, PIN, PGP). Ruolo dell'IAA nella crescita cellulare per distensione (ABP1). IAA e fototropismo. IAA e gravitropismo positivo della radice. Via ubiquitina/proteasoma di degradazione delle proteine (E3, SCF, F-Box). Regolazione dell'espressione genica mediata da IAA (TIR1, AUX/IAA, ARF). Gibberelline, effetti su germinazione e crescita in altezza. Cenni sulla via biosintetica e gibberelline biologicamente attive. Regolazione dell'espressione genica mediata da GA (GID1, GID2, DELLA).Germinazione graminacee: via di segnalazione delle GA. Citochinine: biosintesi e segnalazione. CK, IAA e ciclo cellulare. Agrobacterium tumefaciens.

Testi/Bibliografia

Rascio et al., Elementi di fisiologia vegetale, EdiSes 2012

Taiz , Zeiger , Fisiologia vegetale , Piccin 2009 (traduzione italiana della 4^ edizione americana)

I file power point delle lezioni sono disponibili durante il corso.

Metodi didattici

Lezioni teoriche.

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

esame orale finale

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Paolo Bernardo Trost