Stress abiotico

La prima linea di difesa di una pianta contro lo stress abiotico è nelle sue radici. Se il suolo che ospita la pianta è sano e biologicamente diversificato, la pianta avrà maggiori possibilità di sopravvivere alle condizioni di stress.

Le risposte delle piante allo stress dipendono dal tessuto o dall’organo colpito dallo stress. Per esempio, le risposte trascrizionali allo stress sono specifiche del tessuto o della cellula nelle radici e sono abbastanza diverse a seconda dello stress coinvolto.

Una delle risposte primarie allo stress abiotico come l’alta salinità è la rottura del rapporto Na+/K+ nel citoplasma della cellula vegetale. Alte concentrazioni di Na+, per esempio, possono diminuire la capacità della pianta di assorbire acqua e anche alterare le funzioni degli enzimi e dei trasportatori. Gli adattamenti evoluti per ripristinare in modo efficiente l’omeostasi ionica cellulare hanno portato a una grande varietà di piante tolleranti allo stress.

La facilitazione, o le interazioni positive tra diverse specie di piante, è una rete intricata di associazioni in un ambiente naturale. È il modo in cui le piante lavorano insieme. Nelle aree di forte stress, anche il livello di facilitazione è particolarmente alto. Questo potrebbe essere dovuto al fatto che le piante hanno bisogno di una rete più forte per sopravvivere in un ambiente più duro, quindi le loro interazioni tra le specie, come l’impollinazione incrociata o le azioni mutualistiche, diventano più comuni per far fronte alla gravità del loro habitat.

Le piante si adattano anche in modo molto diverso le une dalle altre, anche da una pianta che vive nella stessa zona. Quando un gruppo di diverse specie di piante è stato sollecitato da una varietà di segnali di stress diversi, come la siccità o il freddo, ogni pianta ha risposto in modo unico. Quasi nessuna delle risposte erano simili, anche se le piante si erano abituate esattamente allo stesso ambiente domestico.

I girasoli sono piante iperaccumulatrici che possono assorbire grandi quantità di metallo.

I terreni serpentini (media con basse concentrazioni di nutrienti e alte concentrazioni di metalli pesanti) possono essere una fonte di stress abiotico. Inizialmente, l’assorbimento di ioni metallici tossici è limitato dall’esclusione della membrana cellulare. Gli ioni che sono assorbiti nei tessuti sono sequestrati nei vacuoli delle cellule. Questo meccanismo di sequestro è facilitato da proteine sulla membrana del vacuolo. Un esempio di piante che si adattano al suolo serpentino sono le Metallofite, o iperaccumulatori, in quanto sono note per la loro capacità di assorbire i metalli pesanti usando la traslocazione da radice a germoglio (che assorbirà nei germogli piuttosto che nella pianta stessa). Sono anche estinti per la loro capacità di assorbire sostanze tossiche dai metalli pesanti.

Il priming chimico è stato proposto per aumentare la tolleranza agli stress abiotici nelle piante coltivate. In questo metodo, che è analogo alla vaccinazione, gli agenti chimici che inducono lo stress vengono introdotti nella pianta in brevi dosi in modo che la pianta inizi a preparare i meccanismi di difesa. Così, quando si verifica lo stress abiotico, la pianta ha già preparato meccanismi di difesa che possono essere attivati più velocemente e aumentare la tolleranza.

Impatto sulla produzione alimentare

Lo stress antibiotico ha colpito soprattutto le piante che sono nell’industria agricola. Soprattutto a causa della loro costante necessità di regolare i meccanismi attraverso gli effetti dei cambiamenti climatici come il freddo, la siccità, la salinità, il calore, le tossine, ecc.

• Il riso (Oryza sativa) è un classico esempio. Il riso è un alimento base in tutto il mondo, specialmente in Cina e in India. Le piante di riso subiscono diversi tipi di stress abiotici, come la siccità e l’alta salinità. Queste condizioni di stress hanno un impatto negativo sulla produzione di riso. La diversità genetica è stata studiata tra diverse varietà di riso con diversi genotipi utilizzando marcatori molecolari.
• Il cece sperimenta la siccità che influisce sulla sua produzione poiché è stato considerato uno degli alimenti più significativi da utilizzare in tutto il mondo.
• Il grano è una delle principali colture che sono principalmente colpite dalla siccità perché la mancanza d’acqua influenzerebbe lo sviluppo della pianta, facendo appassire le foglie nel processo.
• Il mais ha un paio di fattori che influenzano il raccolto stesso. Gli esempi principali sono l’alta temperatura e la siccità che erano responsabili dei cambiamenti nello sviluppo delle piante e della perdita delle colture di mais, rispettivamente.
• La soia non colpisce solo la pianta stessa dalla siccità, ma anche la produzione agricola poiché il mondo si basa sulla soia per la sua fonte di proteine.

Stress salino nelle pianteModifica

La salinizzazione del suolo, l’accumulo di sali idrosolubili a livelli che incidono negativamente sulla produzione vegetale, è un fenomeno globale che interessa circa 831 milioni di ettari di terreno. Più specificamente, il fenomeno minaccia il 19,5% dei terreni agricoli irrigati del mondo e il 2,1% dei terreni agricoli non irrigati (a secco). Un alto contenuto di salinità del suolo può essere dannoso per le piante perché i sali idrosolubili possono alterare i gradienti del potenziale osmotico e di conseguenza inibire molte funzioni cellulari. Per esempio, un alto contenuto di salinità del suolo può inibire il processo di fotosintesi limitando l’assorbimento dell’acqua di una pianta; alti livelli di sali idrosolubili nel suolo possono diminuire il potenziale osmotico del suolo e di conseguenza diminuire la differenza di potenziale idrico tra il suolo e le radici della pianta, limitando così il flusso di elettroni da H2O a P680 nel centro di reazione del Photosystem II.

Nel corso delle generazioni, molte piante hanno mutato e costruito diversi meccanismi per contrastare gli effetti della salinità. Un buon combattente della salinità nelle piante è l’ormone etilene. L’etilene è noto per regolare la crescita e lo sviluppo delle piante e per affrontare le condizioni di stress. Molte proteine di membrana centrali nelle piante, come ETO2, ERS1 e EIN2, sono usate per la segnalazione dell’etilene in molti processi di crescita delle piante. Le mutazioni in queste proteine possono portare a una maggiore sensibilità al sale e limitare la crescita delle piante. Gli effetti della salinità sono stati studiati su piante di Arabidopsis che hanno mutato le proteine ERS1, ERS2, ETR1, ETR2 e EIN4. Queste proteine sono usate per la segnalazione dell’etilene contro certe condizioni di stress, come il sale e il precursore dell’etilene ACC è usato per sopprimere qualsiasi sensibilità allo stress salino.

Fosfato inedia nelle pianteModifica

Il fosforo (P) è un macronutriente essenziale richiesto per la crescita e lo sviluppo delle piante, ma la maggior parte del suolo mondiale è limitato in questo importante nutriente vegetale. Le piante possono utilizzare il P principalmente sotto forma di fosfato inorganico solubile (Pi), ma sono soggette allo stress abiotico della limitazione del P quando non c’è sufficiente PO4 solubile disponibile nel suolo. Il fosforo forma complessi insolubili con Ca e Mg nei suoli alcalini e Al e Fe nei suoli acidi che lo rendono non disponibile per le radici delle piante. Quando c’è un P biodisponibile limitato nel suolo, le piante mostrano un esteso fenotipo di stress abiotico come radici primarie corte e più radici laterali e peli radicali per rendere più superficie disponibile per l’assorbimento del Pi, essudazione di acidi organici e fosfatasi per liberare il Pi da molecole complesse contenenti P e renderlo disponibile per gli organi della pianta in crescita. È stato dimostrato che PHR1, un fattore di trascrizione legato a MYB, è un regolatore principale della risposta alla fame di P nelle piante. È stato anche dimostrato che PHR1 regola l’ampio rimodellamento dei lipidi e dei metaboliti durante lo stress da limitazione del fosforo

Stress da siccitàModifica

Lo stress da siccità, definito come deficit idrico naturale, è una delle principali cause di perdita delle colture nel mondo agricolo. Ciò è dovuto alla necessità dell’acqua in molti processi fondamentali della crescita delle piante. Negli ultimi anni è diventato particolarmente importante trovare un modo per combattere lo stress da siccità. Una diminuzione delle precipitazioni e un conseguente aumento della siccità sono estremamente probabili in futuro a causa dell’aumento del riscaldamento globale. Le piante hanno escogitato molti meccanismi e adattamenti per cercare di affrontare lo stress da siccità. Uno dei principali modi in cui le piante combattono lo stress da siccità è la chiusura degli stomi. Un ormone chiave che regola l’apertura e la chiusura degli stomi è l’acido abscisico (ABA). La sintesi dell’ABA fa sì che l’ABA si leghi ai recettori. Questo legame influenza poi l’apertura dei canali ionici diminuendo così la pressione di turgore negli stomi e causandone la chiusura. Studi recenti, di Gonzalez-Villagra, et al., hanno mostrato come i livelli di ABA siano aumentati nelle piante sottoposte a stress da siccità (2018). Hanno dimostrato che quando le piante sono state messe in una situazione di stress hanno prodotto più ABA per cercare di conservare l’acqua che avevano nelle loro foglie. Un altro fattore estremamente importante nell’affrontare lo stress da siccità e nel regolare l’assorbimento e l’esportazione dell’acqua sono le acquaporine (AQPs). Le AQP sono proteine integrali di membrana che costituiscono dei canali. Il compito principale di questi canali è il trasporto di acqua e di altri soluti necessari. Le AQP sono regolate sia a livello trascrizionale che post trascrizionale da molti fattori diversi come ABA, GA3, pH e Ca2+ e i livelli specifici di AQP in certe parti della pianta, come le radici o le foglie, aiutano ad attirare quanta più acqua possibile nella pianta. Comprendendo sia il meccanismo delle AQPs che l’ormone ABA, gli scienziati saranno meglio in grado di produrre piante resistenti alla siccità in futuro.

Una cosa interessante che è stata trovata nelle piante che sono costantemente esposte alla siccità, è la loro capacità di formare una sorta di “memoria”. In uno studio di Tombesi et al., hanno scoperto che le piante che erano state precedentemente esposte alla siccità erano in grado di elaborare una sorta di strategia per ridurre al minimo la perdita d’acqua e diminuire l’uso di acqua. Hanno scoperto che le piante che erano state esposte a condizioni di siccità hanno effettivamente cambiato il modo di regolare i loro stomi e quello che hanno chiamato “margine di sicurezza idraulico” in modo da diminuire la vulnerabilità della pianta. Cambiando la regolazione degli stomi e successivamente la traspirazione, le piante erano in grado di funzionare meglio in situazioni in cui la disponibilità di acqua diminuiva.