Risposta della conduttanza stomatica all'azione combinata di ozono ...

RIO3-VEG: Rete Informativa su Ozono e VegetazioneOzono e Vegetazione: Il Contributo della Ricerca ItalianaPrimo Incontro, 24 Novembre 2006 – San Piero a Grado (Pisa)Risposta della conduttanza stomatica all’azioneazionecombinata di ozono e stress idrico in Quercus ilexMarcello Vitale, Elisabetta Salvatori, Fausto ManesDipartimento di Biologia Vegetale – Università di Roma “La Sapienza”Francesco Loreto, Silvano FaresIstituto di Biologia Agro-ambientale e Forestale – CNR, Monterotondo scalo (Roma)

CO 2O 3ConduttanzastomaticaMeccanismi[O 3 ] i[CO 2 ] iAssimilazioneFlussosogliaCO 2AntiossidantiCH 2 OriparazioneTraslocazioneRADICI FUSTI FOGLIE (modificato da Fuhrer, 2003)

I° caso di studioLo scopo è quello di valutare le risposte morfologico-funzionalifunzionalialle variazioni stagionali dei principali parametri ambientali,concentrazioni di ozono e flusso stomatico all’ozono (FO3), sufoglie di Quercus ilex L. poste in condizioni sperimentalinaturali.Cinque anni di biomonitoraggio passivo sono stati condotti su unalecceta naturale posta all’interno della tenuta Presidenziale diCastelporziano a sud di Roma. Per l’analisi ldei dati sono stateutilizzate differenti approcci statistici: regressione multiplalineare e l’analisi ldelle reti neurali (Neural(Network Analysis(NNA)).Manes, Vitale, Di Traglia (2005. Plant Biosystems 139(3): 265 – 278

20037,52250FO3 nmolO3/m 2 s52,5FluxAOT401500750AOT40 ppb h014 July 24 July 6 Aug 20 Aug 2 Sept 16 Sept0Gli andamenti del flusso cumulato di ozono e2004dell’AOT40 procedono parallelamente se lecondizioni ambientali e idriche non subisconoFO3 nmolO3/m 2 s7,552,5FluxAOT4022501500750AOT40 ppb hvariazioni. Quando ciò accade, si puòosservare un disaccoppiamento tra le duevariabili (Gerosa et al., 2006 - inviato aAtmospheric Environment)0016 July 28 July 12 Aug 28 Aug 10 SeptAOT40 e flussi stomatici di ozono(FO3) relativi alle campagne di misura2003-2004. I valori di AOT40 sonostati calcolati considerando i 5 giorniO3 stomatal flux (mmol/m2)Rainfalls (mm)5045403530252015102000015000100005000AOT40 (ppb h)RainfallsCumulative O3Stomatal FluxAOT40precedenti dal giorno di misura deiparametri fisiologici. E’ evidente iltotale disaccoppiamento tra le due50001/06/04 01/07/04 01/08/04 01/09/04 01/10/04 01/11/04 01/12/04datevariabili.

Matrice di correlazione relativa al data set di Quercus ilex (199393 – 2004)CO 2 Phar UR% VPD TEMP Trasp COND Tleaf PHOTO CO 2 int Ci/Ca WUE sO3CO 2 1.00Phar -0.02 1.00UR% 0.11 -0.19 1.00VPD 0.03 0.32 -0.66 1.00TEMP 0.05 0.19 -0.13 0.77 1.00Trasp -0.19 0.24 -0.28 0.17 0.01 1.00COND -0.24 0.05 0.05 -0.27 -0.29 0.65 1.00Tleaf 0.05 0.29 -0.14 0.79 0.99 0.08 -0.31 1.00PHOTO -0.00 0.10 -0.14 -0.25 -0.45 0.32 0.46 -0.43 1.00CO 2 int 0.21 0.07 0.11 0.04 0.14 0.22 0.24 0.11 -0.41 1.00Ci/Ca 0.00 0.07 0.01 0.02 0.12 0.27 0.32 0.09 -0.42 0.97 1.00WUE 0.26 -0.30 0.32 -0.57 -0.59 -0.38 -0.12 -0.59 0.44 -0.58 -0.64 1.00sO3 0.07 0.20 -0.13 0.76 0.99 0.09 -0.30 0.98 -0.45 0.13 0.12 -0.57 1.00

COND = - 64.63 – 3.05VPD + 33.26TRASP + 7.73PHOTO + 209.40Ci/Ca,R 2 adj = 0.676PHOTO = 20.76 + 0.001PAR – 0.31TEMP + 0.758TRASP + 0.022COND – 17.17Ci/Ca,R 2 adj =0.653L’analisi di regressione multipla effettuata sui dati relativi al leccio raccoltidurante le campagne sperimentali dimostrano la difficoltà di derivare un modellomeccanicistico lineare multiplo che, prendendo in considerazione le principalivariabili ambientali, sia in grado di predire il comportamento stomatico adifferenti condizioni ambientali.

INPUT HIDDEN NODES OUTPUTH1 H2 H3Intercept 1.629 -1.605 0.831Phar -0.1579 0.132 -0.138Tair 0.232 -0.146 0.206Trasp -0.058 0.018 -0.038Cond -0.843 -0.0183 -0.798Ci/Ca 0.215 -0.693 0.482O3s -0.339 0.324 -0.334FO3s 0.284 -0.246 0.285 Intercept0.59024.163 -11.887 -26.567 PHOTOPhoto201000 10 20Photo PredictedR 2 = 0.96Analisi neurale condotta sul dataset di Quercus. La topologia dellarete è caratterizzata da 3 nodinascosti (neuroni), 7 variabili diinput ed 1 variabile di output –Pharfotosintesi netta (PHOTO). L’altaTairH1capacità predittiva della NNA èTraspevidenziata dalle comparazioni conCondH2PhotoI valori osservati. Osservando iCi/Caprofili di predizione derivati dalO3sFO3sH3modello neurale la fotosintesimostra una relazione non linearecon l’assorbimento stomatico diozono (FO3).20Photo10,06041-231375,48Phar22068,326,6371Tcuv38,301,89169Trasp14,0343510,8120,938Cond915,900,56966Ci/Ca1,3325992,25121575,0919O3s128,446405,1126FO3s34,50725

Conclusioni1°casodistudioLa risposta funzionale di Q. ilex analizzata rispetto ai trend delleconcentrazioni di ozono, dell’assorbimento stomatico di ozono e deiparametri ambientali suggeriscono l’esistenza ldi relazioni non linearicome evidenziato dall'analisi neurale. L'effetto dell’ozono sullafotosintesi è funzione dell’assorbimento stomatico di O 3e non delleconcentrazioni di ozono (O3mean), mentre la conduttanza stomaticanon risultava interessata da queste ultime ma dal VPD.Manes et al., Plant Biosystems, , Vol. 139, No. 3, November 2005, pp. 265 – 278

Conclusioni1°casodistudioNelle aree con aridità estiva, si attende un minore assorbimento stomatico diozono – come visto per il leccio, rispetto a specie presenti in aree piùumide.La sincronizzazione dei picchi di attività fisiologica, in relazione alle condizioniambientali limitanti e alle elevate concentrazioni di ozono nell’areamediterranea diventa un fattore critico.Nel leccio, data l’assenza ldel danno morfologico, si è osservata una sequenzamolto complessa dei rapporti fra le variabili che interagiscono a vicenda. . Inconseguenza di ciò l’analisi statistica lineare ha fornito scarsi risultati rispettoa quelli che derivano dall’analisi analisi neurale. . Ciò è importante nella valutazione deilivelli critici basati sulle concentrazione di ozono poiché la concentrazione diO 3, di per sé, s , non è stata considerata un parametro influente sulla fotosintesie sulla conduttanza stomatica dall’analisi analisi neurale, mentre ha rappresentato unavariabile importante insieme alla temperatura nell'analisi lineare.

2° caso di studioESPERIMENTO DI FUMIGAZIONE CON OZONO IN AMBIENTECONTROLLATO SU PIANTINE DI Quercus ilex, , IRRIGATE E NONIRRIGATE.Obiettivo: determinarel’impatto combinato di stressidrico e O 3 sul comportamentostomatico del leccio.Set –O3+H2O: controllo, non fumigato e irrigato;Set O3+H2O: irrigato, fumigato a 250ppb di O 3x 4 h x 5 gg x 4 settimane;Set O3-H2O: non irrigato, fumigato a 250ppb di O 3x 4 h x 5 gg x 4 settimane.22000 ppb h

http://www.colorado.edu/Chemistry/grad/faculty/Fall/lab/) da Fall, 1999

L’emissione di composti organici volatili (VOCs) generati dalla pianta è limitata sia dafattori fisiologici che da quelli fisico- chimici. I primi determinano la disponibilità diprecursori per i VOCs e controllano la massima attività degli enzimi implicati nellevie di sintesi. I secondi limitano la volatilità, la diffusione entro la fase acquosa e ladiffusione gassosa all’interfaccia foglia – atmosfera.Niinemets, , Loreto, Reichstein (2004). TRENDS in Plant Science 9(4): 180-186186

12010080Gs: mmolH 2 O m -2 s -1604020Scambi gassosi fogliariset: O 3 +H 2 Oset: O 3 -H 2 Oset: -O 3 +H 2 OE Gs AA: μmolCO2 m -2 s -1E: mmolH2O m -2 s -1Week:I0IRIFIIFIIIFIVFIRWeek:I0IFIIFIIIFIVFIRWeek:I0IFIIFIIIFIVF5.04.03.02.01.00.0-1.0-2.00

Conduttanza stomatica: tabelle di correlazione semplice e parziale

Fluorescenza fogliare1.01.00.90.90.80.80.70.7ΦPSII, qP0.60.50.40.60.50.4qNP0.30.30.20.20.10.10.00.0Week:I0IFIIFIIIFIVFIRWeek:I0IFIIFIIIFIVFIRWeek:I0IFIIFIIIFIVFIRset: O3+H2Oset: O3-H2OΦPSII(L) qP(L) qNP(R)set: -O3+H2OL’ozono non ha effetti sulla fase luminosa della fotosintesi nel leccio del set idratato

O3 uptake, , emissione di monoterpeni (a) e dei prodotti risultanti dall’attivitattivitàdella Lipo-ossigenasiossigenasi (b), a 30°C.La sintesi e l’emissione di VOCs implicaun loro ruolo protettivo (Loreto et al.,2004). Nel set O 3+H 2O l’elevataemissione di monoterpeni permette ilmantenimento dell’attività fisiologicacon una concentrazione cumulataesterna di O 3pari a 22 ppm h,contrastando la perossidazione dellemembrane durante la 3° settimana difumigazione.Tale ruolo protettivo dei monoterpenirisulta essere negativamenteinfluenzato dallo stress idrico del setO 3-H 2O, che causava un elevato stressossidativo “interno“ e la riduzionedegli scambi gassosi. Si rivelaun’intensa attività di perossidazionegià alla 2° settimana di fumigazione.

Scambi gassosi fogliari diurni (durante le fumigazioni) e notturni: set O 3+H 2OGli scambi gassosi diurni misurati sulset (O 3+H 2O) mostrano una riduzionedi Gs durante la 3° settimana difumigazione. Durante le rispettivenotti successive alle fumigazioni Gstende ad aumentare.

Scambi gassosi fogliari diurni e notturni nei fine settimana: set O 3+H 2OImportanti effetti in condizionidi campo:360.48% rispetto alpre-trattamento;F=157.14, p

Conclusioni del 2° caso di studioa) L’ozono e lo stress idrico non agiscono in modo sinergico (set O3-H2O). Lo stress idrico induce una precoce chiusura stomatica cheimpedisce o limita fortemente l’entrata di O 3 nella foglia e sembraimporre una severa limitazione all’efficienza della resa quantica delPS II;b) I monoterpeni mostrano un ruolo protettivo contro l’O 3 , ma tale ruolosembra ridotto dall’effetto dello stress idrico sull’assimilazione delcarbonio;c) L’esposizione diurna all’O 3 causa un progressivo incremento dellaconduttanza stomatica notturna quando il sistema difensivo degliantiossidanti è al suo livello più basso. Ciò può aumentare lavulnerabilità delle piante allo stress ossidativo, influenzando in talmodo la performance di Quercus ilex quando esposto all’O 3 incondizioni naturali per periodi lunghi di tempo.Vitale M., Salvatori E., Loreto F., Fares S., Manes F., 2006. Inviato a Environmental Pollution

Grazie per la vostra attenzione !

Ozono troposferico: ciclo di formazione edistruzione

40356050TEMP (°C)302520VPD (mbar)40302015101993 1994 1998 2003 2004YEAR1401201001993 1994 1998 2003 2004YEARO3 MEAN (ppb)100806040PHOTO (micromol m-2s-1)2520151050-51993 1994 1998 2003 2004YEARFLUX O3 (nmol m-2s-1)2001993 1994 1998 2003 2004YEAR2015105COND S (mmolm-2s-1)50040030020010001993 1994 1998 2003 2004YEAR019931994 1998 2003 2004YEAROverview di variabili ambientali e fisiologiche riguardanti 5 anni di campagne sperimentali condotte nelsito naturale della Tenuta di Castelporziano su Quercus ilex. Le concentrazioni di ozono temperaturadipendentisono state stimate mediante una formula empirica derivata dai dati di campo.