ALTERAZIONI DI PATHWAYS BIOCHIMICI E METABOLICI DELLE PIANTE DA PARTE DELL’OZONO: MECCANISMI DI...

ALTERAZIONI DI PATHWAYS BIOCHIMICI E ALTERAZIONI DI PATHWAYS BIOCHIMICI E METABOLICI DELLE PIANTE DA PARTE METABOLICI DELLE PIANTE DA PARTE

DELL’OZONO: DELL’OZONO: MECCANISMI DI DANNO E STRATEGIE DI DIFESAMECCANISMI DI DANNO E STRATEGIE DI DIFESA

24 Novembre 2006, San Piero a Grado, Pisa24 Novembre 2006, San Piero a Grado, Pisa

Annamaria Ranieri, Antonella CastagnaAnnamaria Ranieri, Antonella Castagna

DCBA, Università di PisaDCBA, Università di Pisa

PLANT CANOPYPLANT CANOPYSiti di deposizione: Siti di deposizione: Resistenze :Resistenze :

vegetazionevegetazione aerodinamicheaerodinamiche suolosuolo di superficiedi superficie

FOGLIA FOGLIA Siti di deposizione: Siti di deposizione: Resistenze :Resistenze :

superficie fogliaresuperficie fogliare cuticolarecuticolare spazio internospazio interno stomaticastomatica

residuaresidua

INTERNO DELLA FOGLIA INTERNO DELLA FOGLIA Siti di deposizione: Siti di deposizione: Resistenze :Resistenze :

camera sottostomaticacamera sottostomatica interfaccia gas-liquidointerfaccia gas-liquido mesofillomesofillo

diverse modalità di esposizione all’ozono...diverse modalità di esposizione all’ozono...

Camere di fumigazioneCamere di fumigazioneDCBA DCSL PisaDCBA DCSL Pisa

CONDIZIONI CONTROLLATE CONDIZIONI CONTROLLATE

ESPOSIZIONE DI TIPO ESPOSIZIONE DI TIPO ACUTOACUTO

ESPOSIZIONE DI TIPO ESPOSIZIONE DI TIPO CRONICOCRONICO

Chamberless system Chamberless system Giessen -DEGiessen -DE

Free-air OFree-air O33 exposure system exposure system

Friburgo - CHFriburgo - CH

OTC OTC Wageningen - NL; Newcastle - GBWageningen - NL; Newcastle - GB

Braunschweig -DE; Madrid - EBraunschweig -DE; Madrid - E

esposizione di tipo cronico, condizioni naturaliesposizione di tipo cronico, condizioni naturali

diverse modalità di esposizione all’ozono...diverse modalità di esposizione all’ozono...

OO33

Esposizione esterna (es. concentrazione, AOT40)

Uptake effettivo(teoria dei flussi, capacità

biologica di difesa)

Uptake controllato principalmente dalla

conduttanza stomatica

Effetto biologico

Effetti iniziali nell‘apoplasto e nella

membrana. Effetto biologico nella cellula in dipendenza dei processi di difesa

Ridisegnato da Tausz et al. Environ Poll (2006 in press)

ROS

Ca2+

induzione morte cellulare programmata

amplificazione segnale e diffusione morte cellulare

attivazione difesa e contenimento morte cellulare

O3

ascorbato, APX...

MAPK

ET

?

ROS

NADHox

O2 O2- H2O2

SOD

NADH ox

APOPLASTO

SIMPLASTO

Rad ?

Rad ?

ETR

ET

SA

JA

ETR

SA

ET

ridisegnato da KANGASJÄRVI et al. 2005 Plant Cell Environ

ROSPOD

pH-POD NADHox

O2 O2-

attivazione o repressione geniattivazione o repressione geni attivazione o repressione geniattivazione o repressione geniattivazione o repressione geniattivazione o repressione geni

ascorbato,ascorbato, APX...APX...

induzione morte induzione morte cellulare programmatacellulare programmata

amplificazione segnale e amplificazione segnale e diffusione morte cellularediffusione morte cellulare

attivazione difesa e attivazione difesa e contenimento morte cellularecontenimento morte cellulare

ASAASAnmoli gnmoli g-1-1 pf pf

DHADHAnmoli gnmoli g-1-1 pf pf

stato redoxstato redox%%

CC

OO33

88 88 4 b 4 b 35 35 3 b 3 b 71 71 2 a 2 a

143 143 11 11 aa

119 119 9 a 9 a 54 54 3 b 3 b

ASAASAnmoli gnmoli g-1-1 pf pf

DHADHAnmoli gnmoli g-1-1 pf pf

stato redox%

CC

OO33

3.5 3.5 0.1 0.1 bb

0.3 0.3 0.02 b 0.02 b 92 92 3 a 3 a

10.8 10.8 0.1 0.1 aa

13.3 13.3 0.2 0.2 a a

45 45 4 b 4 b

CC

OO33

6.3 6.3 0.3 0.3 bb

0.8 0.8 0.01 0.01 b b

88 88 3 a 3 a

23.3 23.3 0.1 0.1 aa

96 96 0.6 a 0.6 a 19 19 5 b 5 b

I-21

4I-

214

Eri

dan

oE

rid

ano

ACIDO ASCORBICOACIDO ASCORBICO

APOPLASTOAPOPLASTO

150 ppb O150 ppb O33, 4 h, 4 g, 4 h, 4 g

150 ppb O150 ppb O33, 5 h, 5 h

Ranieri et al. Ranieri et al. (2000) Plant Sci. (2000) Plant Sci. (2000) J. Plant Physiol.(2000) J. Plant Physiol.

Ranieri et al. Ranieri et al. (1999) J Plant Physiol(1999) J Plant Physiol(1998) Responses of (1998) Responses of plant metabolism to air plant metabolism to air pollution and global pollution and global change (de Kok e Stulen change (de Kok e Stulen eds)eds)

0

2

4

6

8

mo

li as

c m

inm

oli

asc

min

-1

-1 m

gm

g-1-1 p

rot

pro

t

CC OO33 CC OO33

bbaa

bb

aa

I-214I-214 EridanoEridano

0

2

4

6

8

10

bb

aa

CC OO33

mo

li as

c m

inm

oli

asc

min

-1

-1 m

gm

g-1-1 p

rot

pro

t

APXAPX

ROS

Ca2+




O3

ascorbato, APX...

MAPK

ET

?

ROS

NADHox

O2 O2- H2O2

SOD

NADH ox

APOPLASTO

SIMPLASTO

Rad ?

Rad ?

ETR

ET

SA

JA

ETR

SA

ET


ROSPOD

pH-POD NADHox

O2 O2-


NAD(P)H oxNAD(P)H oxpH-PODpH-POD

0

20

40

60

80

0 0,5 1 2 4 5 7 24 48

****

**

mo

li N

AD

(P)H

min

mo

li N

AD

(P)H

min

-1

-1 mm

gg-1-1 p

rot

pro

t

NAD(P)H PODNAD(P)H PODIWFIWF

ATTIVAZIONE ENZIMI GENERANTI HATTIVAZIONE ENZIMI GENERANTI H22OO22

Ranieri et al. Ranieri et al. (2003) J Exp Bot (2003) J Exp Bot

150 ppb O150 ppb O33, 4 h, 4 h

CC OO33

esposizione esposizione all’Oall’O33

0

2

4

6

8

10

0 0,5 1 2 4 5 7 24 48

**

**

**

mo

li N

AD

(P)H

min

mo

li N

AD

(P)H

min

-1

-1 mm

gg-1-1 p

rot

pro

tNAD(P)H ossidasiNAD(P)H ossidasiPMPM

ROS

Ca2+




O3

ascorbato, APX...

MAPK

ET

?

ROS

NADHox

O2 O2- H2O2

SOD

NADH ox

APOPLASTO

SIMPLASTO

Rad ?

Rad ?

ETR

ET

SA

JA

ETR

SA

ET


ROSPOD

pH-POD NADHox

O2 O2-


HH22OO22

150 ppb O150 ppb O33, 4 h, 4 h

Ranieri et al. Ranieri et al.

(2003) J Exp Bot(2003) J Exp Bot

ACCUMULO HACCUMULO H22OO22

200 ppb O200 ppb O33, 5 h, 5 h

Castagna et al. Castagna et al. (2006 submitted) New Phytol(2006 submitted) New Phytol

150 ppb O150 ppb O33, 5 h, 5 h

Diara et al. Diara et al.

(2005) New Phytol(2005) New Phytol

ROS

Ca2+




O3

MAPK

ET

?

ROS

NADHox

O2 O2- H2O2

SOD

NADH ox

APOPLASTO

SIMPLASTO

Rad ?

Rad ?

ETR

ET

SA

JA

ETR

SA

ET


ROSPOD

pH-POD NADHox

O2 O2-


PODPOD

ascorbato, APX...

PEROSSIDASIPEROSSIDASI

150 ppb O150 ppb O33, 4 h, 4 g, 4 h, 4 g

Ranieri et al.Ranieri et al.(2000) Plant Sci. (2000) Plant Sci.

0

20

40

60

80

100

120

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

0

100

200

300

ab

s S

yrin

gal

daz

ina

min

abs

Syr

ing

ald

azin

a m

in-1

-1

mg

mg

-1-1 p

rot

pro

t

bb

aa

CC OO33 ab

s S

yrin

gal

daz

ina

min

abs

Syr

ing

ald

azin

a m

in-1

-1

gg-1-1 p

s p

s

bb

aa

CC OO33

bb

aa

CC OO33 ab

s S

yrin

gal

daz

ina

min

abs

Syr

ing

ald

azin

a m

in-1

-1

mg

mg

-1-1 p

rot

pro

t IWFIWF IBIB CBCB

++

--CC OO33

IWFIWF IBIB CBCB

CC OO33 CC OO33

ROS

Ca2+




O3

ascorbato, APX...

MAPK

ET

?

ROS

NADHox

O2 O2- H2O2

SOD

NADH ox

APOPLASTO

SIMPLASTO

Rad ?

Rad ?

ETR

ET

SA

JA

ETR

SA

ET


ROSPOD

pH-POD NADHox

O2 O2-


ETET

ETILENEETILENE

CC OO33

esposizione esposizione all’Oall’O33

Ranieri et al. Ranieri et al. (2003) J Exp Bot (2003) J Exp Bot

150 ppb O150 ppb O33, 4 h, 4 h

0

2

4

6

0 0,5 1 2 4 5 7 24 48

** ****

nl h

nl h

-1

-1 gg

-1-1 p

f p

f

Diara et al. Diara et al. (2005) New Phytol (2005) New Phytol

150 ppb O150 ppb O33, 5 h, 5 h

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 5

0

100

200

300

400

0 1 2 5

**EridanoEridano

nl h

nl h

-1

-1 gg

-1-1 p

f p

f

**

**I-214I-214

nl h

nl h

-1

-1 gg

-1-1 p

f p

f

ROS

Ca2+




O3

ascorbato, APX...

MAPK

ET

?

ROS

NADHox

O2 O2- H2O2

SOD

NADH ox

APOPLASTO

SIMPLASTO

Rad ?

Rad ?

ETR

ET

SA

JA

ETR

SA

ET


ROSPOD

pH-POD NADHox

O2 O2-


SASAJAJA

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 5

0

10

20

30

40

50

60

0 1 2 5

******

CO

NIU

GA

TO

CO

NIU

GA

TO

nm

oli

nm

oli gg

-1-1 p

f p

f

nm

oli

nm

oli gg

-1-1 p

f p

f

ACIDO SALICILICOACIDO SALICILICODiara et al. Diara et al.

(2005) New Phytol (2005) New Phytol

150 ppb O150 ppb O33, 5 h, 5 h

CC OO33

0

1

2

3

4

0 1 2 5

0

1

2

3

4

0 1 2 5

EridanoEridanoI-214I-214

nm

oli

nm

oli gg

-1-1 p

f p

f

LIB

ER

OL

IBE

RO

nm

oli

nm

oli gg

-1-1 p

f p

f **

ROS

Ca2+




O3

ascorbato, APX...

MAPK

ET

?

ROS

NADHox

O2 O2- H2O2

SOD

NADH ox

APOPLASTO

SIMPLASTO

Rad ?

Rad ?

ETR

ET

SA

JA

ETR

SA

ET


ROSPOD

pH-POD NADHox

O2 O2-


cloroplastocloroplasto cloroplastocloroplasto cloroplastocloroplasto

IL CLOROPLASTOIL CLOROPLASTO

Ranieri et al. (2000) Ranieri et al. (2000) Physiol. Plant. Physiol. Plant.

150 ppb O150 ppb O33, 5 h, 5 h

CCCLLLOOONNNEEE III---222111444 CCCLLLOOONNNEEE EEERRRIIIDDDAAANNNOOO

CCC OOO333 %%% CCC OOO333 %%%

CCC...CCC... 666444...000666 ±±± 666...888 aaa 444222...333999 ±±± 444...222 bbb ---333333...888 666333...888444 ±±± 333...333 aaa 444777...444555 ±±± 777...222 bbb ---222555...777

PPPSSSIII 111222777...888888 ±±± 111222...111 aaa 111000222...888333 ±±± 111999...999 bbb ---111999...666 222666666...333777 ±±± 111666...222 aaa 222222666...888444 ±±± 111666...444 bbb ---111444...888

PPPSSSIIIIII 111333111...999333 ±±± 777...555 aaa 777888...111222 ±±± 888...666 bbb ---444000...888 111222666...444000 ±±± 111555...222 aaa 888222...666333 ±±± 111111...000 bbb ---333444...666

CC

PSI

PSII

trasporto elettronico (mmoli Otrasporto elettronico (mmoli O22 h h-1-1 mg mg-1-1 clorof) clorof)

cloroplastocloroplasto

tilacoiditilacoidi D1D1

LHCIILHCII

Psa A/BPsa A/B

D2D2

CP47CP47


150 ppb O150 ppb O33, 5 h, 5 h

Ranieri et al.Ranieri et al. (2000) Physiol. Plant. (2000) Physiol. Plant.

D2

D1

LHCII

CP26

LHCIb

PsaA/B

CP47CP43

LHCIa

LHCIc

ERIDANOERIDANO I-214I-214

OO33 C C OO33 CC

D1D1 D2D2 CP47CP47 LHCIILHCII PsaA/BPsaA/B

CC OO33

ERIDANOERIDANO

I-214I-214

CC OO33CC OO33CC OO33CC OO33

D1D1D2D2 CP47CP47

LHCIILHCII

PsaA/BPsaA/B


150 ppb O150 ppb O33, 5 h, 5 hRanieri et al. (2000) Ranieri et al. (2000)

Physiol. Plant. Physiol. Plant.

CLONE I-214CLONE I-214 CLONE EridanoCLONE Eridano

CC OO33

16.5 1.0 a 11.6 1.0 b 32.3 3.3 a

5.3 0.4 a 4.5 0.4 b 10.6 1.0 a

CC OO33

0.39 0.04 a 0.31 0.04 b 0.92 0.11 a

2.7 a 2.6 a 3.8 a

Clorofilla Clorofilla aa

Clorofilla Clorofilla bb

carotenecarotene

Carotenoidi totCarotenoidi tot

DEPSDEPS

24.8 2.7 b

8.2 0.9 b

6.2 0.8 a 4.6 0.2 b 12.6 1.1 a

0.33 0.04 b

3.2 a

9.3 0.9 b

nmol cmnmol cm-2-2

%% %%

-30

-15

-21

-26

---

-23

-23

-64

-26

---

CONCLUSIONICONCLUSIONI

11

SINGOLO COMPONENTESINGOLO COMPONENTEDEL SISTEMA DEL SISTEMA

SENSIBILITÀ SENSIBILITÀ ALL’OALL’O33

maggior numero di marcatorimaggior numero di marcatoridiversi approcci metodologicidiversi approcci metodologici

INSIEME DI INSIEME DI PIU’ RISPOSTE PIU’ RISPOSTE

OKOK

22DANNODANNO

segnalesegnale

difesadifesa

Ozone impact on vegetationOzone impact on vegetation

Dr. Juergen BenderDr. Juergen Bender

Institute of Agroecology Institute of Agroecology

Federal Agricultural Research Centre (FAL) Federal Agricultural Research Centre (FAL)

Braunschweig (Germany)Braunschweig (Germany)

Università di Pisa - Facoltà di AgrariaUniversità di Pisa - Facoltà di Agraria

SEMINARIOSEMINARIO

Lunedì 27 Novembre - ore 11.00Lunedì 27 Novembre - ore 11.00Aula Magna della FacoltàAula Magna della Facoltà

GRAZIEGRAZIE

Chamberless system Chamberless system Giessen -DEGiessen -DE

Free-air OFree-air O33 exposure system exposure system

Friburgo - CHFriburgo - CH

OTC OTC Wageningen - NL; Newcastle - GBWageningen - NL; Newcastle - GB

Braunschweig -DE; Madrid - EBraunschweig -DE; Madrid - E

Biodiversity in Herbaceous Semi-Natural Ecosystem under Stress by

Global Change Components

BIOBIOSTRESSSTRESS

http://www.uni-hohenheim.de/biostress/

PCAPCAControlControl

OzonatedOzonated

-3.2 -1.2 0.8 2.8 4.8

-2.9

-1.9

-0.9

0.1

1.1

2.1

3.1

-- carotcarotFvFv /Fm/Fm

PSIIPSII

NPQNPQ

ETRETR

CHL totCHL tot

CarotCarot tottot

VAZVAZ

PODPOD

DEPSDEPS

Vm

TpBe

Ko

PlW

AcAnt

Ant

CyCy

Bh

PlBe

RuNcPm

RuNc

Av

Ep

PoBPoB

PoNcVe

CaCa

Vc

VeTpNc

TpNc

TrNc

TrNc

Le

HyTrBe

AnxAnx

Bre

Bre

ScSc

Pa

Pa

TrBe Le Hy

HoBeHoBeHoW

HoW

AvPoNcVc

Ep

Pm

RuB

PlBeRuB

Brh Bri

Bri

Ac

PlW

Ko

TpBe

Vm

Component 1Component 1

Com

pon

en

t 2

Com

pon

en

t 2

-2.6-2.6 -0.6-0.6 1.41.4 3.43.4 5.45.4

-2.9-2.9

-0.9-0.9

1.11.1

3.13.1

5.15.1

Fv/FmFv/Fm

CHL totCHL tot

Carot totCarot tot

Chla/Chla/ ChlbChlbVAZVAZ

DEPSDEPS

PODPOD

T.pra (B) CT.pra (B) C

T.pra (B) OT.pra (B) O 33

Hol (B) CHol (B) C

Hol (B)Hol (B) OO33

T.pra (N) CT.pra (N) C

T.pra (N)T.pra (N) OO33

Poa (Br) CPoa (Br) C

Poa (Br)Poa (Br) OO33

AchAch OO33Ach CAch CKoeKoe OO33

Koe CKoe CAntAnt OO33 Ver CVer CPlan (W)Plan (W) OO33

Plan (W) CPlan (W) C

BromBrom OO33Brom CBrom C

Ant CAnt CT.rep CT.rep CAgr CAgr C

AgrAgr OO33

HyeHye OO33Hye CHye C

T.repT.rep OO33Plan (B) CPlan (B) C

Plan (B)Plan (B) OO33VerVer OO33

Bri CBri CBriBri OO33

ControlControl

OzonatedOzonated


Com

pon

en

t 2

Com

pon

en

t 2

-2.8-2.8 -0.8-0.8 1.21.2 3.23.2 5.25.2

-2.4-2.4

-1.4-1.4

-0.4-0.4

0.60.6

1.61.6

2.62.6

Fv/FmFv/Fm

CHL totCHL totCarot totCarot tot

Chla/Chla/ ChlbChlb

VAZVAZ

DEPSDEPS

PODPOD

T.pra Mi CT.pra Mi C

T.pra Mi OT.pra Mi O33

T.pra Mo OT.pra Mo O33

T.pra Mo CT.pra Mo C

PoaA Mo CPoaA Mo CVer Mi OVer Mi O

33

PoaA Mo OPoaA Mo O33

PoaV Mi CPoaV Mi C

PoaA Mi CPoaA Mi CPoaA Mi OPoaA Mi O

33

PoaV Mi OPoaV Mi O33

Ach Mi OAch Mi O33

Ver Mo OVer Mo O33

Ver Mi CVer Mi C

Ver Mo CVer Mo C

Bro Mi CBro Mi C

Ach Mo CAch Mo C

Bri Mo CBri Mo C

Bri Mo OBri Mo O33

Bri Mi CBri Mi C

Bri Mi OBri Mi O33

Ach Mo OAch Mo O33

Bro Mi OBro Mi O33

Bro Mo CBro Mo CAch Mi CAch Mi C

Plan Mo OPlan Mo O33

Bro Mo OBro Mo O33

Plan Mi CPlan Mi C

Plan Mo CPlan Mo CPlan Mi OPlan Mi O

33

ControlControl

OzonatedOzonated


Com

pon

en

t 2

Com

pon

en

t 2

monoculturamonoculturaesposizione acuta, camera di fumigazione esposizione acuta, camera di fumigazione

monoculturamonoculturaesposizione cronica, campoesposizione cronica, campo

competizionecompetizioneesposizione cronica, campo esposizione cronica, campo

Simili risposte da parte delle piante all’esposizione

acuta e cronica

Le specie più sensibili al trattamentoacuto lo sono anche nei

confronti del trattamento cronico

Importanza dell’uso di

camere di fumigazione

per simulare situazioni realistiche

e consentire un rapido screening

di sensibilità all’O3

Validità dei parametri testati

come biomarkers in entrambi

i tipi di trattamento

(acuto in condizioni controllate

e cronico in pieno campo)

RL Colasanti, R Hunt, AP AskewRL Colasanti, R Hunt, AP AskewUniversity of Sheffiled, UKUniversity of Sheffiled, UK

BIOBIOSTRESSSTRESS

E:\RIO-VEG pisa 2006\l_model_full.exe

Stato inizialeStato inizialeControlloControlloOzono Ozono

COMPETITORS (C)COMPETITORS (C) RUDERALS (R)RUDERALS (R)STRESS-TOLLERATORS (S)STRESS-TOLLERATORS (S)

Variazione biomassa C 43% R 27%Variazione biomassa C 43% R 27%

Modifica composizione ecosistemaModifica composizione ecosistema

APX SIMPLASTO E CLOROPLASTOAPX SIMPLASTO E CLOROPLASTO

0

1

2

3

4

0

1

2

3

4

5

0

5

10

15

20

150 ppb O150 ppb O33, 5 h, 5 h

mo

li as

c m

inm

oli

asc

min

-1

-1 m

gm

g-1-1 p

rot

pro

t

CC OO33 CC OO33

bb

aabb

aa

I-214I-214 EridanoEridano m

oli

asc

min

mo

li as

c m

in-1

-1

mg

mg

-1-1 p

rot

pro

t

CC OO33 CC OO33

bb aabb

aa


mo

li as

c m

inm

oli

asc

min

-1

-1 m

gm

g-1-1 p

rot

pro

t

CC OO33 CC OO33

bbaa

bb

aa


RCMRCM STROMASTROMA TILACOIDITILACOIDI

Ranieri et al. (1998) Responses of plant metabolism to air pollution and global change (de Kok e Stulen eds.Ranieri et al. (1998) Responses of plant metabolism to air pollution and global change (de Kok e Stulen eds.

150 ppb O150 ppb O33, 4 h, 4 g, 4 h, 4 g 0

0.5

1

1.5

2

0

0.1

0.2

0

20

40

60

80RCMRCM

bb

aa

CC OO33

mo

li as

c m

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min

-1

-1 m

gm

g-1-1 p

rot

pro

t

STROMASTROMA

mo

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-1

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t

CC OO33

TILACOIDITILACOIDI

mo

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gm

g-1-1 c

loro

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loro

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CC OO33

Ranieri et al. (2000) J. Plant Physiol. Ranieri et al. (2000) J. Plant Physiol.

ALTERAZIONI DI PATHWAYS BIOCHIMICI E METABOLICI DELLE PIANTE DA PARTE DELL’OZONO: MECCANISMI DI...

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