“Relazione tra rimozione di ozono a livello fogliare ed emissione di isoprenoidi nelle

specie forestali”

Silvano Fares*, Juergen Wildt°, Francesco Loreto*

Ozono e vegetazione: il contributo della ricerca italiana24 Novembre 2006, San Piero a Grado, Pisa

Centro Interdipartimentale Ricerche Agro-Ambientali “Enrico Avanzi”

RETE INFORMATIVA SU OZONO E VEGETAZIONE

*CNR –IBAF (Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Biologia Agroambientale e Forestale)

° Research Centre Jülich, Germany, Institute Phytosphere (ICG-III)

silvano.fares@ibaf.cnr.it

Introduzione

•Gli isoprenoidi hanno la capacità di rimuovere ozono e altre specie reattive nella cavità sottostomatica e la loro produzione aumenta in condizioni di stress ossidativi.

• La sintesi di isoprenoidi (isoprene e monoterpeni) può portare ad un utilizzo fino al 10% del carbonio fissato con la fotosintesi e rappresentare fino al 2% della GPP.

• L’ ozono è una molecola ossidante che causa seri danni alle piante. Si forma dalla fotolisi di NO2 prodotto in larga parte da reazioni tra isoprenoidi e radicali OH.

• Il metodo più sicuro per accertare il rischio da ozono per le piante (“approccio di livello 2” – UNECE) è quello basato sul flusso stomatico di ozono e di conseguenza l’uptake stomatico delle foglie

• Diventa quindi essenziale conoscere l’effettiva quantità di ozono catturata dalle foglie (uptake) e verificare se significative quantità di ozono vengono accumulate negli spazi intercellulari (O3ci)

O3out

O3 uptake

O3ci

Isoprenoidi

Isoprenoidi

• Gli alberi hanno la capacità di rimuovere ozono attraverso processi stomatici (adsorbimento) e non (absorbimento)

Introduzione

• Determinare la quantità di ozono effettivamente assorbita dalla foglia (uptake) e correlare questo parametro con il danno fogliare

• Studiare la protezione da stress ossidativi conferita dalle emissioni di isoprenoidi volatili a livello fogliare

• Verificare la concentrazione intercellulare di ozono

Obiettivi

Due sistemi di fumigazione

(CO2 and H2O exchange)To GC (isoprenoid measurements)

(isoprenoid measurements)

1110LSynthetic air+O3 in

O3 in – O3 out= uptake

A, cuvette fogliari

(CNR-IBAF)

B, tank reactors (Forschungszentrum- Julich).

Metodi

Stomatal conductance, mol m-2 s-1

0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18

Ozo

ne u

ptak

e, n

mol

m-2

0

5

10

15

20

25

30

35

r2 = 0.81

L’ uptake di ozono dipende dalla conduttanza stomatica

Quercus ilex

Misure effettuate variando le condizioni di luce (PAR 0-1000 mol m-2 s-1) e temperatura (20-30 °C)

Uptake di ozono – Sistemi A, B

Stomatal conductance, mol m-2 s-1

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16

Ozo

ne u

ptak

e, n

mol

m-2

0

10

20

30

40

50

r ² = 0.97

Populus nigra

Uptake di ozono – Sistema B

0

10

20

30

40

50

60

70

80

22/1/06 21.36

23/1/06 0.00

23/1/06 2.24

23/1/06 4.48

23/1/06 7.12

23/1/06 9.36

23/1/06 12.00

23/1/06 14.24

23/1/06 16.48

Ozo

ne

up

take

(%

)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

PA

R [

µm

ol

m-2

s-1

] *0

.01

Ozone uptake

PAR

PAR = 800

PAR = 500

PAR = 200

PAR = 100

PAR = 0

Quercus ilex

Il flusso di ozono è strettamente correlato con l’andamento della conduttanza stomatica

Populus alba

L’emissione di isoprene aumenta in condizioni di alto ozono, così come i prodotti di ossidazione (metil-vinil-chetone e metacroleina)

Uptake di ozono e emissione di isoprenoidi - Sistema B

Time (d/m h:mm)

19/0

1 0.

0019

/01

12.0

020

/01

0.00

20/0

1 12

.00

21/0

1 0.

0021

/01

12.0

022

/01

0.00

22/0

1 12

.00

23/0

1 0.

0023

/01

12.0

024

/01

0.00

24/0

1 12

.00

25/0

1 0.

0025

/01

12.0

026

/01

0.00

26/0

1 12

.00

27/0

1 0.

0027

/01

12.0

028

/01

0.00

28/0

1 12

.00

29/0

1 0.

0029

/01

12.0

030

/01

0.00

Sto

mat

al c

on

du

ctan

ce (

mo

l m

-2 s

-1)

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

Ozo

ne

flu

x (n

mo

l m-2

s-1

)

0

2

4

6

8

10

12

Stomatal conductanceOzone flux

Iso

pre

ne

(nm

ol m

-2 s

-1)

0

2

4

6

8

10

Met

hac

role

in;

Me

thyl

-vin

yl-k

eto

ne

(pp

b)

0.000.020.040.060.080.100.120.14

Isoprene fluxMethacroleinMethyl-vinyl-chetone

I monoterpeni hanno un ruolo attivo nel rimuovere ozono

No CO2 > gs

Ma

Emissione di monoterpeni – 80%

O3 uptake – 20%

Uptake di ozono e emissione di isoprenoidi - Sistema B

Quercus ilex

UptakeConduttanz

a stomatica

Ozo

ne

up

take

, n

mol

m-2

0

5

10

15

20

25

30

35

N. tabacum B.pendula Q. ilex P. australis P. alba

aa a

ab

ab

bb

b

ab a

Non emettitori di terpeni

emettitori di terpeni piante non trattate

piante fumigate con isoprene (3 ppm)

piante trattate con fosmidomicina (no isoprenoidi)

Uptake di ozono e emissione di terpeni Sistema A

Gli isoprenoidi hanno un ruolo attivo nel rimuovere ozono

Loreto and Fares, Plant Physiology, in press

Dam

age,

% w

ith r

espe

ct t

o co

ntro

ls

0

20

40

60

80

100

120PhotosynthesisFv/FmNecrosis

aa

***

**

* ***

***

**

**

N. tabacum B.pendula Q. ilex P. australis P. alba

Gli isoprenoidi (esogeni o endogeni) hanno ridotto il danno associato alla fumigazione con alto ozono

100 = % di danno da ozono su piante controllo (senza isoprenoidi)

Isoprenoidi e protezione da ozono Sistema A

Loreto and Fares, Plant Physiology, in press

ciinOO OOg 3333

Il flusso di ozono può essere calcolato nei 2 modi:

L

outinO A

OOF 33

3

O3ci è stata calcolata risolvendo l’equazione 2 considerando il flusso dell’equazione 1

(1)

(2)

Legenda

F = Flusso d’aria in cuvetta

AL = Area fogliare

D = coefficienti di diffusione

OH

OSOHO D

Dgg

2

3

23

outin OO 33 = uptake

Concentrazione intercellulare di ozono

Stomatal conductance (mol m-2 s-1 )

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16

Ozo

ne

up

take

(p

pb

)

0

10

20

30

40

50

r ² = 0.97

L’apertura stomatica guida l’uptake di ozono agendo sulla concentrazione intercellulare di ozono

Stomatal conductance (mol m-2 s-1)

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16

O3ci

(p

pb

)

0

10

20

30

40

50

r ² = 0.96

Concentrazione intercellulare di ozono

Populus nigra

Quercus ilex

Stomatal conductance (mol m-2 s-1)

0.00 0.02 0.04 0.06

Ozo

ne

up

take

(p

pb

)

0

1

2

3

4

5

6

7

Stomatal conductance (mol m-2 s-1)

0.00 0.02 0.04 0.06

O3ci

(p

pb

)

0

20

40

60

80

100

O3ci (ppb)

0 20 40 60 80 100O

3 flu

x (n

mol

m-2

s-1

)0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Ozone flux considering ciOzone flux without considering ci

r ² = 0.027

r ² = 0.76

4

O3ci (ppb)

0 10 20 30 40

O3 fl

ux (n

mol

m-2

s-1

)

0

2

4

6

8

10

12

Ozone flux considering ci Ozone flux without considering ci

r ²= 0.93

r ² = 0.94

Populus nigra Quercus ilex

Considerando il Ci dell’ozono si ha una riduzione di flusso anche del 50%, e l’effetto si riscontra ad alta conduttanza stomatica

Il calcolo della concentrazione intercellulare di ozono

• Le piante hanno un ruolo attivo nell’assorbire e rimuovere ozono principalmente per via stomatica

• Gli isoprenoidi conferiscono alle piante protezione dall’ozono, riducendone il danno ma aumentandone l’uptake

• Il rischio di danno da ozono deve quindi essere valutato tenendo conto dell’uptake legato alla detossificazione della molecola

• Esistono casi in cui il Ci per l’ozono e’ > 0. In questi casi il flusso stomatico e’ sensibilmente ridotto rispetto a quello calcolato per Ci = 0. Anche questo deve essere considerato nel valutare le relazioni tra uptake e danno da ozono

RETE INFORMATIVA SU OZONO E VEGETAZIONE

Conclusioni