CORSO TEORICO PRATICO

OZONO E VEGETAZIONEGriselli Bona, Ferrara Anna Maria, Tagliaferro Francesco , Parodi Alessandra

Grugliasco (TO) 18 aprile 2008

CORSO TEORICO PRATICO OZONO E VEGETAZIONE

MECCANISMI DI FITOTOSSICITA’ ’

COSA E’ L’OZONO

O3: che cos’é� É una forma allotropica triatomica

dell‘O 2: la sua molecola è costituita da tre atomi di ossigeno (O 3) ed ha un peso molecolare di 48,00 dalton.

� É un gas azzurognolo con un caratteristico odore acre e pungente da cui deriva il nome (dal greco ozo = emano odore)

� I legami tra gli atomi sono deboli e lo rendono fortemente instabile e reattivo. La sua velocità di decomposizione dipende dalla temperatura

In natura , nella stratosfera, si forma, sia mediante i raggi ultravioletti, sia mediante il lampo, che riesce a fornire l'energia necessaria perchè 3 molecole di ossigeno diventino 2 molecole di ozono:

3O2 + ���� = 2O3

O3: che cos’é� l’ozono ha elevata capacità di ossidare:� nelle reazioni, sottrae elettronielettroni alle altre sostanze;� si comporta da accettatore di elettroni; accettatore di elettroni; � reagisce con sostanze organiche dotate di doppi

legami (insature)� essendo un agente ossidante possiede un alto

numero di ossidazione

O3: come si forma

�Negli strati più elevati rappresenta un vero e proprio sc hermo per le radiazioni ultraviolette (hv) del sole

�“Nella stratosferaNella stratosfera (tra 15 e 50 Km di h dalla superficie terrestre (tra 15 e 50 Km di h dalla superficie terrestre èè presente quantitpresente quantit àà del 90 %) si forma e si distrugge effetto del 90 %) si forma e si distrugge effetto ChapmanChapman ””ossia per scissione ossia per scissione fotoliticafotolitica causata dalle radiazioni causata dalle radiazioni ultavioletteultaviolette ::

O2 + hv -> O + O I raggi ultravioletti inducono la dissociazione delle molecole di O2 con formazione di atomi liberi di ossigeno (O)

O + O2 -> O3 Gli atomi di ossigeno liberi si combinano con le molecole di ossigeno (O2) e danno origine all’ozono

O3 + hv -> O2 + O L’ozono a sua volta assorbe la radiazione ultravioletta e visibile e si decompone

O + O3 -> O2 + O2 Se l’ozono si combina con un atomo libero di ossigeno si forma una molecola di ossigeno ed il meccanismo di formazione e decomposizione dell’ozono si interrompe.

�In natura l’O3 è presente nei vari strati dell'atmosfe ra in concentrazioni diverse

O3: come si formaO3: come si forma

Nella troposferaNella troposfera��Ozono proveniente per correnti verticali dalla stratosfe raOzono proveniente per correnti verticali dalla stratosfe ra��Ozono derivato da reazioni Ozono derivato da reazioni fotochimichefotochimiche con inquinanti primari (ossidi con inquinanti primari (ossidi di di azoto_NOXazoto_NOX ) e composti organici ) e composti organici volatili_COVvolatili_COV tutti di natura antropicatutti di natura antropica

Il Il traffico motorizzato sorgente pitraffico motorizzato sorgente pi ùù importante di VOC (composti importante di VOC (composti organici organici volatilivolatili --idrocarburiidrocarburi ) e di ) e di NOxNOx (Ossidi di Azoto) che sono i (Ossidi di Azoto) che sono i precursori principali per la formazione di Ozono.precursori principali per la formazione di Ozono.

VOC + VOC + NOxNOx + Caldo + Irraggiamento Solare + Caldo + Irraggiamento Solare

Ciclo fotolitico di NO 2

biossido di azoto reagisce con ossigeno dando monossido di azoto ed ozono

OZONOOZONO

O3: come si rileva la sua presenza

campionatori passivi

campionatori attivi (analizzatori fisico - chimici di ozono ))))

biomonitoraggio mediante organismi vegetali

sensibili LL’’ozono avrozono avr àà valori massimi durante il valori massimi durante il giorno e minimi durante la notte e valori giorno e minimi durante la notte e valori superiori durante la stagione calda e nelle superiori durante la stagione calda e nelle zone caratterizzate da elevata insolazionezone caratterizzate da elevata insolazione

Fitotossicità dell’ozonoMesofillo a palizzata

Mesofillo lacunoso

Stomi�Penetrazione dagli stomi della lamina inferiore

�Nessuna conseguenza per l’epidermide inferiore e il me sofillolacunoso

�Alterazioni del mesofillo a palizzata

Effetti fitotossici dellEffetti fitotossici dell ’’ozono e risposta dei ozono e risposta dei vegetalivegetali

�Sono determinati dall’elevato potere ossidante del g as

�Sono differenti in funzione del tempo di esposizione :

Stress acuti con danni visibili quali necrosi e riduzione della biomassa

Esposizioni per brevi periodi ad elevate concentrazioni di ozono

Esposizione per lunghi periodi a basse concentrazioni di ozono

�Non sono visibili danni

�Presenza di cambiamenti fisiologici biochimici che provocano senescenza precoce

Effetti fitotossici dellEffetti fitotossici dell ’’ozono e risposta dei ozono e risposta dei vegetalivegetali

Fattore decisivo di fitotossicità è il flusso stomatic o ossia:

��la reale quantitla reale quantit àà di ozono che raggiunge i siti reattivi di ozono che raggiunge i siti reattivi allall ’’ interno della fogliainterno della foglia

Flusso di ozono espresso tramite la legge di Fick: F = g* (Ca-C1)

�F rappresenta il flusso

�g è la conduttanza

�Ca la concentrazione di ozono all’esterno

�C1 la concentrazione di ozono all’interno ed assunta co n valore uguale a zero

Il flusso dell’ozono è condizionato perciò da:

��la conduttanza stomatica;la conduttanza stomatica;

��la concentrazione esterna di ozonola concentrazione esterna di ozono

Effetti fitotossici dellEffetti fitotossici dell ’’ozono e risposta dei ozono e risposta dei vegetalivegetali

�l’ OO33, in soluzione acquosa (nell'apoplasto), rapidamente degrada in diversi derivati attivi dell’ O2, che sono ritenuti i veri responsabili degli effetti tossici. �Come noto, si definisce “radicale libero” un atomo, o un gruppo di atomi, dotati di uno o più elettroni spaiati nel live llo elettronico esterno, da cui deriva una spiccata reattività.I radicali liberi centrati sull’ OO22 (“ossiradicali”) sono da tempo all’attenzione dei biologi, per la loro ubiquità e le loro potenzialitàtossiche;Dal trasferimento di un solo elettrone all’ OO22 si forma l’anione superossido (OO22

..--),), che, se protonato, dà luogo al radicale idroperossido(HOHO22

.), mentre la reazione tra il superossido O2.- e il perossido di

idrogeno (acqua ossigenata, HH22OO22) genera anche il radicale idrossido o ossidrile ( HO.).

�� Degradazione nella soluzione acquosa cellulare (Degradazione nella soluzione acquosa cellulare ( apoplastoapoplasto ) con ) con produzione di acqua ossigenata , di ioni OHproduzione di acqua ossigenata , di ioni OH -- e di altri ROS ( e di altri ROS ( acido salicilico, acido acido salicilico, acido ialuronicoialuronico , etilene) , etilene)

�� Modificazioni geniche e metaboliche causate dai ROS ( radicali Modificazioni geniche e metaboliche causate dai ROS ( radicali liberi).liberi).

�� Attivazione di alcuni enzimi del metabolismo dei Attivazione di alcuni enzimi del metabolismo dei fenolifenoli ( enzima ( enzima CAD alcool CAD alcool cinnamicocinnamico deidrogenasideidrogenasi che che èè un marker della un marker della lignificazione).lignificazione).

�� Inibizione delle Inibizione delle perossidasiperossidasi , enzimi che riducono l, enzimi che riducono l ’’acqua acqua ossigenata in acqua ( infatti concentrazioni elevat e di acqua ossigenata in acqua ( infatti concentrazioni elevat e di acqua ossigenata sono ritrovate nel ossigenata sono ritrovate nel mesofillomesofillo a palizzata di esemplari a palizzata di esemplari sensibili allsensibili all ’’ozonoozono ).).

Effetti fitotossici dellEffetti fitotossici dell ’’ozono e risposta dei ozono e risposta dei vegetalivegetali

NOTANOTALL’’acqua ossigenata ad elevate concentrazioni può acqua ossigenata ad elevate concentrazioni può

provocare la morte cellulareprovocare la morte cellulare

Strategie di difesa allStrategie di difesa all ’’ozono da parte dei ozono da parte dei vegetalivegetali

��Chiusura degli stomiChiusura degli stomi

Valida solo nel caso di esposizioni per tempi brevi. Diversamente, si verifica un eccessivo calo di assorbimento della CO 2 , di fotosintesi clorofilliana e di conseguente riduzione di biomassa v egetale.

Una eccezione sono alcuni cloni di cipolla e di tab acco che usano tale mezzo di difesa in maniera prioritaria

��Attivazione di propri sistemi Attivazione di propri sistemi detossificantidetossificanti e antiossidanti che sonoe antiossidanti che sono

�di natura enzimatica: superossido dismutasi ( SOD), ca talasi (CAT), perossidasi (POD);

�sostanze quali: acido ascorbico, glutatione, caroten oidi, flavonoidi che fungono da accettori di elettroni .

NOTA BENENOTA BENE

��Negli individui resistenti lNegli individui resistenti l ’’attivazione degli enzimi attivazione degli enzimi detossificantidetossificanti èè pipi ùù immediataimmediata

Strategie di difesa allStrategie di difesa all ’’ozono da parte dei ozono da parte dei vegetalivegetali

LL’’ascorbico ascorbico perossidasiperossidasi (APX)(APX)

�rappresenta uno dei sistemi più efficaci nella detossi ficazione delle ROS

�ha una elevata affinità per l’H 2O2

�è presente in numerosi compartimenti cellulari

LL’’ importanza dellimportanza dell ’’APX nel processo di protezione della cellula contro APX nel processo di protezione della cellula contro livelli eccessivi di acqua ossigenata livelli eccessivi di acqua ossigenata èè ampiamente testimoniata ampiamente testimoniata dalldall ’’aumento di attivitaumento di attivit àà delldell ’’enzima riscontrato in risposta a vari tipi di enzima riscontrato in risposta a vari tipi di stress stress ossidativoossidativo , tra cui l, tra cui l ’’esposizione allesposizione all ’’ozono ozono

La presenza di sistemi detossificanti viene correlata alle caratteristiche di tolleranza che hanno certe specie vegetali e/o pa rticolari cloni (tolleranza intraspecifica)

Come agisce lCome agisce l ’’ozono nelle cellule vegetali?ozono nelle cellule vegetali?

��Distruzione dei Distruzione dei lipidi e delle lipidi e delle proteine di proteine di membrana membrana (alterazioni (alterazioni soprattutto di tre soprattutto di tre aminoacidi: aminoacidi: cisteinacisteina , , metioninametionina e e triptofanotriptofano ) con ) con modificazioni della modificazioni della permebilitpermebilit àà di paretedi parete

�� Aggressione diretta alle cuticole fogliari con Aggressione diretta alle cuticole fogliari con conseguente interferenze nei meccanismi di sintesi e conseguente interferenze nei meccanismi di sintesi e strutturazione delle cere; ne deriva uno squilibrio id rico strutturazione delle cere; ne deriva uno squilibrio id rico e minerale della pianta con conseguenti ripercussioni e minerale della pianta con conseguenti ripercussioni sulla resistenza ad agenti sulla resistenza ad agenti bioticibiotici ed ad altri ed ad altri abioticiabiotici

Come agisce lCome agisce l ’’ozono nelle cellule ozono nelle cellule vegetali?vegetali?

��Alterazione in efficienza e in concentrazione, dellAlterazione in efficienza e in concentrazione, dell ’’enzima fogliare enzima fogliare ribulosioribulosio --difosfatodifosfato carbossilasicarbossilasi /ossidasi (/ossidasi ( RubisCORubisCO ) attivo nei ) attivo nei cloroplasticloroplasti durante il ciclo di durante il ciclo di CalvinCalvin

.

��lisi della clorofilla susseguente lisi della clorofilla susseguente allall ’’attacco delle membrane dei attacco delle membrane dei cloroplasticloroplasti

EFFETTI SULLA FOTOSINTESI MEDIANTE:EFFETTI SULLA FOTOSINTESI MEDIANTE:

��Minore sintesi di zuccheri ed amidoMinore sintesi di zuccheri ed amido

non solo sono utilizzati per non solo sono utilizzati per ll ’’accrescimento vegetale, ma anche accrescimento vegetale, ma anche per la per la detossificazionedetossificazione

ININ SINTESI LSINTESI L’’OZONO DETERMINA I SEGUENTI OZONO DETERMINA I SEGUENTI EFFETTI FITOTOSSICI:EFFETTI FITOTOSSICI:

��riduzione o inibizione della fotosintesi riduzione o inibizione della fotosintesi

��riduzione di riduzione di biomassabiomassa vegetalevegetale

�� aumento della respirazione aumento della respirazione

��inibizione dellinibizione dell’’attivitattivitàà mitocondrialemitocondriale

��alterazioni dei sistemi enzimaticialterazioni dei sistemi enzimatici

��danni a livello danni a livello infrastrutturaleinfrastrutturale

��prematuro invecchiamentoprematuro invecchiamento

�� limitazione delle capacitlimitazione delle capacitàà riproduttiveriproduttive

��ridotta resistenza a fattori ridotta resistenza a fattori abioticiabiotici quali temperature quali temperature particolarmente rigide e stress idriciparticolarmente rigide e stress idrici

��ridotta resistenza a fattori ridotta resistenza a fattori bioticibiotici ( malattie fungine)( malattie fungine)

SINTOMI SINTOMI OZONEOZONE--LIKELIKE SULLA SULLA VEGETAZIONEVEGETAZIONE

Monitoraggio dei danni ozone-like

Valutazione dei sintomiValutazione dei sintomi� macroscopica in campo

(ricerca, sulla sola lamina superiore, di clorosi, puntinature, necrosi, arrossamenti ecc.)

� microscopica in laboratorio(osservazioni allo stereomicroscopio e al microscopio ottico della foglia in “toto” e di sezioni)

Prelievi vegetali ed analisi eseguitiPrelievi vegetali ed analisi eseguiti:� nei mesi più luminosi, a maggiore concentrazione di O 3 e lungo

transetti definiti

�� Divergenza Divergenza sintomatologicasintomatologicavariabilità intra e interspecifica di forma, colore e distribuzione delle lesioni

�� Danni visibiliDanni visibilisoprattutto su lamine fogliari superiori di foglie più vecchie ed esposte alla luce

�� Clorosi dellClorosi dell ’’ intera lamina superioreintera lamina superiore

Acer pseudoplatanus, Ailanthus altissima, Corylus avellana, Fagus sylvatica, Fraxinusexcelsior, Liriodendron tulipifera, Robinia pseudoacacia, Trifolium pratense

�� Clorosi internervali con conservazione Clorosi internervali con conservazione verde della nervaturaverde della nervatura

Ailanthus altissima, Bidens frondosa, Cotoneaster sp., Cynara cardunculus, Dryas octopetala, Duchesnea indica, Fraxinus excelsior, Fraxinus ornus, Helianthemum nummularium spp. Grandiflorum, Hydrangea macrophylla, Robinia pseudoacacia, Veronica urticifolia, Viburnum lantana

Necrosi puntiformi

�� Necrosi confluenti a formare aree Necrosi confluenti a formare aree seccaginoseseccaginose internervaliinternervali

Ailanthus altissima, Duchesnea indica, Robinia pseudoacacia, Fraxinus excelsior, Helianthemum nummularium sppGrandiflorum, Viburnum lantana.

Rubus idaeus,Ailanthus altissima,Acer pseudoplatanus

�� VariabilitVariabilit àà del colore delle alterazionidel colore delle alterazionigiallo, marrone scuro, rosso giallo, marrone scuro, rosso ((antocianiantociani ))

Mahonia aquifolium, Cotoneaster sp., Geum urbanum, Knautia arvensis, Cornus sanguinea, Spirea arguta, Viburnum lantana

Lonicera xylosteumMacchie poligonali

Danni Danni microscopicimicroscopici --analisianalisi di sezioni fogliaridi sezioni fogliari

A livello del solo mesofillo a palizzata

1. Lisi clorofilla

2. collasso pareti cellulari

3. Accumulo tannini e antociani

1. Lisi clorofilla

Robinia pseudoacacia

Foglie con: � clorosi internervali � puntinature brunastre� necrosi

Robinia pseudoacacia

Alterazioni del mesofillo a palizzata

Agrimonia eupatoria

�Arrossamenti e necrosi

�Lamina inferiore asintomatica

Agrimonia eupatoria

Agrimonia eupatoria

Agrimonia eupatoria

Arrossamenti fisiologici

Necrosi e alterazioni: del palizzata

Viburnum lantana

�Colore verde delle nervature

�Arrossamenti

�Necrosi

�Clorosi internervale

Viburnum lantana

Viburnum lantana

Epidermide superiore integra

Viburnum lantana

mesofillo a palizzata con antociani e collasso cellulare

Knautia arvensis�Arrossamenti fisiologici apicali e marginali su lamin a superiore e inferiore�Bronzature su lamina superiore

Knautia arvensis

�Antociani nel mesofillo�Arrossamento fisiologico

Bronzature

Knautia arvensis

�Bronzature macroscopiche

�Epidermide intatta

�Collasso del mesofillo a palizzata

�Antociani nel palizzata

•Arrossamento fisiologico:

antociani in tutto il mesofillo

Cornus sanguinea

�Arrossamenti della lamina superiore

Cornus sanguinea

Lamina inferiore asintomatica

Arrossamenti e bronzature internervali

Mesofillo a palizzata

� Lisi della clorofilla

� Antociani

� Collasso

Cornus sanguinea

Sezioni con alterazioni del mesofillo a palizzata

Cornus sanguinea

� Lamina superiore con alterazioni di colore rosso bruno

� Lamina inferiore asintomatica

� Lisi e collasso del “palizzata”

Euphorbia dulcis

�Clorosi

�Arrossamento

�Bronzature

Euphorbia dulcis

Euphorbia dulcis �Danni sulla lamina superiore

�Macchie clorotiche

�Da clorosi a necrosi

�Accumulo di antociani

Euphorbia dulcisMesofilloMesofillo a palizzataa palizzataLisi della clorofilla�Collasso�Antociani

Populus tremula

�arrossamenti

�clorosi

�necrosi

Populus tremula

� Alterazioni del mesofillo a palizzata� Lisi clorofilla� Antociani� Collasso cellulare

�Strati epidermici integri

Collasso cellulare

Populus tremula

�Fluorescenza

�Lisi della clorofilla del mesofilloa palizzata (colore giallo)

�Collasso cellulare

�Clorofilla integra del lacunoso (colore rosso)

Populus nigraAssessment of Ozone Visual Injury

EU/ICP Forest Puntini clorotici necrotizzanti a partire dal margine fogliare

Collasso del mesofillo a palizzata

Puntini gialli sul bordo

Clematis vitalba

�Clorosi

�Necrosi puntiformi confluenti dal margine fogliare

Clematis vitalba

�Lisi della clorofilla

�Collasso del palizzata

�Strati epidermici integri

Rosa canina

�Arrossamenti

�Clorosi

�Necrosi

Lamina inferiore sintomatica

Rosa canina�Alterazioni del mesofillo a palizzata

�Lisi della clorofilla

�Collasso

�Antociani

Compresenza di danno

Scottatura

Frangula alnus

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