ACIDO ABSCISSICO ACIDO ABSCISSICO ACIDO ABSCISSICO ACIDO ABSCISSICO

1.5

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1.5 ACIDO ABSCISSICOACIDO ABSCISSICOACIDO ABSCISSICOACIDO ABSCISSICO

Per molti anni i fisiologi vegetali hanno avuto il sospetto che il fenomeno della dormienza dei semi e delle gemme fosse causato da composti inibitori che provarono a isolare. Uno di questi composti risultò essere l'acido abscissico, così denominato per il suo coinvolgimento nel processo di abscissione. La sua molecola presenta un carbonio asimmetrico in posizione C1 che dà origine a due isomeri ottici: S(+) e R (-) . Nei vegetali è presente solo l’enantiomero S (+), mentre la forma R (-) costituisce il 50% dell’acido abscissico ottenuto per sintesi chimica (R,S (±) –ABA, racemo). La presenza del doppio legame in posizione 2 dà origine a due forme geometriche diverse: 2, cis-ABA e 2 trans-ABA. Il primo isomero è quello che generalmente si indica come acido abscissico, ed è molto più diffuso nei tessuti vegetali rispetto al secondo, che possiede un’attività biologica minore. E’ un ormone vegetale, un sequiterpene a 15 atomi di carbonio. Per lungo tempo si è ritenuto che il processo di abscissione fosse il ruolo primario dell’ABA. Ora sappiamo che il principale fattore che causa l’abscissione degli organi è l’etilene.

Nelle piante vascolari risulta essere un ormone vegetale ubiquitario È stato determinato nei muschi; numerosi generi di funghi producono l’ ABA come metabolita secondario (Zeevart e Creelman, 1988), nelle alghe e nelle epatiche un composto simile è definito acido lunarico. E’ stato ritrovato, all’interno della pianta, in ogni organo principale o tessuto vivente, dall’apice della radice a quello del germoglio (Milborrow, 1984). E’ sintetizzato praticamente in tutte le cellule che contengono cloroplasti o amiloplasti. La crescita e lo sviluppo delle piante sono regolati da segnali interni e da condizioni ambientali esterne. l’acido abscissico, è un importante regolatore che coordina la crescita e lo sviluppo tramite risposte all'ambiente. L’ABA gioca un importante ruolo in molti processi cellulari, incluso lo sviluppo del seme, la dormienza, la germinazione, la crescita vegetativa, e le risposte all’ambiente. Queste diverse funzioni dell’ABA coinvolgono complessi meccanismi regolatori che controllano la sua produzione, la sua degradazione, la percezione e la trasduzione del segnale. Il ruolo chiave dell’ABA nelle risposte allo stress nelle piante può essere sfruttato per capirne a fondo i meccanismi regolatori e quindi applicare strategie razionali per migliorare geneticamente, sia col metodo classico che con l’ingegneria genetica, la tolleranza alle avverse condizioni ambientali.(Liming Xiong and Jian-Kang Zhu, 2003)

L’acido abscissico è un fitoormone che gioca un importante ruolo di regolazione in molti processi fisiologici sia nelle piante superiori che in quelle inferiori. (Davies and Jones, 1991; Zeevaart and Creelman, 1988) Media le risposte per la tolleranza agli stress, è un segnale chiave che regola l’apertura degli stomi oltre ad essere implicato nella mediazione delle risposte ai patogeni ed alle lesioni.

La sua presenza nel seme promuove lo sviluppo dello stesso, fa maturare l’embrione, promuove la sintesi di sostanze di riserva come proteine e lipidi, è coinvolto del mantenimento della dormienza (inibizione della germinazione) e sviluppa la tolleranza all’essiccamento. (Zeevaart and Creelman, 1988; Davies and Jones, 1991; Thomas, 1993; Bethke et al 1999). L’ABA influisce sull’architettura della pianta, regolando la crescita, la morfologia delle radici ed il rapporto tra chioma e radice. E’ estremamente labile, la molecola è suscettibile a rapide degradazioni enzimatiche. Questa rapida degradazione ne riduce le risposte biologiche e rende la sostanza meno appetibile dal punto di vista commerciale.

L’acido abscisico influenza direttamente o indirettamente la maggior parte degli aspetti della crescita della pianta, attraverso complessi meccanismi piuttosto che attraverso semplici processi di segnali lineari. Le funzioni, la complessità spaziale e temporale dell'adattamento alle continue fluttuazioni ambientali (non solo condizioni stressanti!) si sono cominciate a capire solamente da poco tempo.

La sua produzione e il suo meccanismo di azione è parte di una rete di interazioni di processi(Trewavas, 1991; Genoud e Metraux, 1999) che cambiano continuamente in risposta a input di sensori ambientali primari (fitocromo[Kraepiel et al., 1994])come il recettore della luce blu (Assmann e Shimazaki, 1999), le ICE proteine deputate a recepire le basse temperature (Thomashow, 1999) e le proteine deputate a recepire le variazioni di potenziale osmotico.(Shinozaki, et al., 1998). L'azione ed il metabolismo dell’ABA non sono modulati solo da segnali ambientali ma anche da segnali endogeni generati da retroazioni metaboliche, dal trasporto, dall’equilibrio ormonale e dallo stadio di sviluppo, con effetti cellula-specifici probabilmente cruciali.

La regolazione dell’ABA e dei suoi livelli sembra essere molto promettente per migliorare la produttività, la funzionalità e l’architettura della pianta (Zeevaart 1999; Cutler e Krochko 2000). Nello sviluppo dei semi oleosi, l’acido abscissico regola l’espressione di molti geni specifici per l’embrione e sembra che l’ormone funzioni come un potenziale segnale di controllo durante la fase di accumulo delle riserve in Brassica napus. (Finkelstein et al., 1989). E’ stato dimostrato che in molti sistemi la regolazione del deposito di proteine e lipidi nel seme risponde positivamente all’aggiunta di ABA esogeno. (Delisle and Crouch, 1989; Taylor et al, 1990; Holbrook et al, 1992). I recettori dell’acido abscissico non sono ancora stati identificati e la localizzazione, il numero, la natura delle proteine legate all’ABA nelle cellule delle piante non sono ancora conosciuti pienamente (Leung and Giraudat, 1998) Mentre, significativi progressi sono stati compiuti nello studio della traduzione del segnale. (McCourt, 1999)

In condizioni normali, cioè in piante non sottoposte a stress i livelli di ABA nelle cellule delle piante sono mantenuti bassi. Bassi livelli di acido abscissico possono essere richiesti per la normale crescita della pianta, come evidenziato dal ridotto vigore osservato in mutanti ABA- deficienti. Questi possono essere riportati a normalità in qualsiasi momento con somministrazioni di ABA esogeno. (Finkelstein and Rock, 2002)

Durante lo sviluppo del seme l'ABA regola i seguenti processi:

maturazione dell'embrione

sintesi delle sostanze di riserva da depositare

induzione della dormienza del seme.

In particolare, l’induzione della sintesi delle proteine LEA che preserva la vitalità dell'embrione anche in condizioni di essiccamento è correlata al ruolo dell’ABA nella sintesi di proteine simili alle LEA nei tessuti vegetativi. Sembra che queste proteine aumentino la tolleranza alla disidratazione.

Nei tessuti vegetativi, i livelli di acido abscissico aumentano quando le piante vanno incontro a condizioni ambientali avverse, come lo stress idrico, salino e le basse temperature. Anche se un alto livello di ABA esogeno inibisce la crescita delle piante in condizioni normali, un incremento del contenuto di ABA in piante sottoposte a stress ambientali favorisce la normale crescita. L’ABA promuove la chiusura degli stomi per minimizzare la perdita di acqua per traspirazione. Riesce a ridurre i danni provocati dallo stress anche tramite l'attivazione di geni che codificano per enzimi coinvolti nella biosintesi di osmoliti compatibili e di proteine LEA-simili, che complessivamente incrementano la tolleranza della pianta allo stress. (Hasegawa et al., 2000; Bray, 2002; Finkelstein et al.,2002) Sembra, inoltre che compensi gli effetti inibitori dello stress indotto dall’etilene sulle piante in crescita. (Sharp, 2002) I mutanti che non compiono la biosintesi dell’ABA sono più suscettibili agli stress ambientali. (Xiong et al., 2002b)

La maturazione e la germinazione del seme espongono il giovane embrione a drammatici stress osmotici. L’ABA è il fattore più importante per l’entrata e l’uscita dell’embrione dallo stato di quiescenza. E’coinvolto nello sviluppo del seme e può derivare dai tessuti materni o essere sintetizzato ex novo dall’embrione.

Regolazione della biosintesi di ABA in condizioni di stress abiotico.

Sono state formulate due teorie sulla biosintetica dell'ABA, una che prevede l'esistenza di un precursore a 15 atomi di carbonio derivante dal farnesil pirofosfato, l'altro che vede l'ABA derivare dalla degradazione dei carotenoidi, con un precursore a quaranta atomi di carbonio. Questa seconda via di biosintesi assegna alla xantoxina il ruolo di composto intermedio fra il precursore C40 e l'ABA.

Recenti studi con l'uso di mutanti ABA-deficienti hanno dimostrato come la strada indiretta sia la più importante. I carotenoidi sono sintetizzati da un precursore C5, isopentenil pirofosfato (IPP) che è sintetizzato dall'acido mevalonico nel citosol, ma dal momento che sintesi dei carotenoidi avviene nei plastidi, l'IPP è prodotto attraverso l'1-deossi-D-xilulosio-5-fosfato (DXP), dal piruvato e dalla gliceraldeide-3-fosfato. II primo passaggio è catalizzato dall’enzima DXP sintetasi (DXS). IPP è convertito in un prodotto a C20 il geranilgeranil pirofosfato (GGPP) dal quale si genera il carotenoide Fitoene, quest’ultimo processo è catalizzato dal Fitoene sintasi (PSY). II Fitoene è convertito dal Fitoene desaturasi (PDS) in ζ-carotene che successivamente passerà a licopene , β-carotene e infine in xantofilla. II primo passaggio della biosintesi specifica dell'ABA e la conversione della zeaxantina in tutto-trans-violaxantina attraverso due passaggi di epossidazione catalizzati da zeaxantina epossidasi (ZEP). Da questo momento possiamo avere due percorsi: uno riguarda la formazione del 9'-cis-Violaxantina e l'altro riguarda la formazione di tutto-trans- Neoxantina e tutto-cis-Neoxantina. Da questi ultimi prodotti si ha la formazione di Xantoxina grazie al 9'-cis- epossicarotenoide diossigenase (NCED). La Xantoxina è convertita in

ABA nel citosol . Sono tre le strade proposte per la formazione dell'acido abscissico dalla Xantoxina : attraverso ABA-aldeide, acido xantoxinico o alcool abscissico (Mitsunori Seo and Tomokatsu Koshiba.,2002). La scoperta che l'ABA esogeno passa attraverso i segmenti dell'ipocotile senza mescolarsi all'ABA endogeno (Varganegara and Milborrow ,1997) ha fatto scoprire che l' ABA libero nelle cellule della foglia è presente in piccole quantità. Gran parte dell'ABA è trattenuto mediante materiale proteico, ma può venire estratto da solventi come l'etanolo. Si conosce anche il catabolismo dell'acido abscissico (vedi Loveys and Milborrow, 1984): l'acido faseico (PA), l’acido diidrofaseico (DPA) e l'ABA- glucosilestere (ABAGE) sono i principali metaboliti dell'acido abscissico . La via catabolica che più frequentemente è stata riportata in letteratura, prevede la conversione dell'ABA in PA e quindi in DPA. La congiunzione ad una molecola di glucosio con conseguente formazione di ABAGE, al contrario di quanto avviene per altri ormoni vegetali, sembra essere un sistema di inattivazione definitiva dell'ormone.

Non sembra infatti che il glucoside abbia funzione di riserva o di trasporto (Boyer and Zeevaart, 1982, Zeevaart and Boyer, 1964; Bray and Zeevaart, 1985). Non si esclude, comunque la possibilità che esistano altre vie cataboliche con formazione di altri prodotti di coniugazione dell'ABA (Walton, 1980).

II ruolo fisiologico dell'acido abscissico appare molto complesso e la sua azione investe molte delle funzioni biologiche della pianta: l'ABA è coinvolto nei fenomeni di abscissione, dormienza, germinazione, crescita, geotropismo e adattamento a situazioni di stress (Zeevaart and Creelmann, 1988). L'acido abscissico è stato definito ormone

dello stress poiché aumenta la capacità della pianta di adattarsi a stress di diversa origine.

Sembra che alcuni segnali ambientali, come la luce regolino direttamente o indirettamente la biosintesi dell’ABA.

Le condizioni ambientali che più di altre attivano la biosintesi dell’ABA, sono siccità, stress salino e basse temperature. L’incremento dei livelli di questo ormone in condizioni di stress abiotico derivano principalmente da un aumento della biosintesi.

La siccità e la salintà sollecitano molto la biosintesi di ABA attraverso la regolazione della trascrizione dei geni implicati nella stessa biosintesi dell’ormone; ciò è stato dimostrato bloccando la trascrizione con inibitori di trascrizione e, verificando quindi, il danneggiamento della biosintesi di ABA stress-indotta.

In condizioni di stress le piante non possono fuggire e la loro capacità di combattere è limitata essenzialmente ad un “guerra chimica”. I livelli di ABA aumentano notevolmente in condizioni di stress e le variazioni nei livelli endogeni di ABA stimolano una serie di eventi metabolici e fisiologici che portano all’acquisizione della tolleranza.

SVILUPPO

Sviluppo generale Inibizione

Divisione cellulare Diminuzione

Espansione cellulare Diminuzione

Formazione di nuove foglie Inibizione

Germinazione Diminuzione

Accrescimento radicale Aumento

Germogliamento Diminuzione

RIPRODUZIONE

Fioritura Anticipata

Induzione a fiore Inibizione

Abscissione dei fiori Aumento

Capacità di impollinazione Diminuzione

Produzione di semi Diminuzione

Fig.16 - Effetti di ABA in piante durante i processi di accrescimento e

riproduzione (da plantstress.com)

In particolare per lo stress da freddo (freezing e chilling) è stato evidenziato un ruolo chiave per l’acido abscissico, Il chilling induce su piante originarie di climi tropicali e subtropicali una serie di danni generalmente raggruppati sotto il termine “chilling injury”; molte colture diffuse nel nostro paese, soprattutto ortive e ornamentali, sono soggette a tali danni in caso di coltivazioni precoci in serra fredda o in campo. Uno dei principali effetti del chilling è l’alterazione della struttura delle membrane cellulari, cui si accompagna un evidente squilibrio idrico (Nishida e Murata, 1996). Lo stress idrico indotto dal freddo è causato, da un lato, dal fatto che gli stomi non riescono a chiudersi rapidamente ed a controllare così le perdite di acqua per traspirazione (Eamus e Wilson, 1983), dall’altro, dalla riduzione dell’assorbimento radicale e del conseguente trasporto di acqua

attraverso lo xilema verso le foglie (Pardossi et al., 1992b). Il mancato controllo stomatico durante le prime ore di esposizione al freddo è dovuto all’inibizione della sintesi di ABA da parte della bassa temperatura (Vernieri et al., 1991). Infatti, a differenza di quanto avviene nel caso di stress idrico a temperature non limitanti, i livelli endogeni dell’ormone non aumentano nonostante l’elevato grado di disidratazione. Nelle piante sensibili al chilling (es. pomodoro e fagiolo) questa situazione si protrae per un certo periodo (20-30 ore), durante il quale si assiste ad una progressiva disidratazione; successivamente le piante riescono ad adattarsi, si reidratano e riacquistano il turgore, anche grazie ad un recupero della funzionalità idrica della radici. Questa seconda fase è accompagnata da un aumento nella sintesi di acido abscissico (Pardossi et al., 1992b). Probabilmente questo fenomeno è dovuto all’incapacità di sintetizzare prontamente ABA a basse temperature. (Vernieri et al. 1991) Ma qual è il ruolo svolto dall’acido abscissico in questo processo? Sicuramente l’ABA è coinvolto nella regolazione del controllo stomatico della traspirazione, mentre evidenze sperimentali indicano che le modifiche delle proprietà idrauliche delle radici avvengono indipendentemente dalle variazioni nei livelli dell’ormone e sembrano addirittura escludere un segnale di tipo chimico, suggerendo piuttosto l’intervento di un messaggio di tipo fisico (Vernieri et al., 2001)

Fig 17 - Un modello semplificato del possibile ruolo dell’ABA nella

risposta del fagiolo al freddo (chilling).

Fattori che regolano la produzione di ABA

La soluzione del suolo contiene vari ormoni incluso l'ABA che è prodotto dalle radici della pianta specialmente in condizioni di non traspirazione e i funghi presenti nel terreno costituiscono un agente di sintesi. La concentrazione dell'ormone è alta nei suoli acidi dove la degradazione da parte dei microrganismi è debole e si registrano aumenti in terreni secchi dove l'acqua è stata rimossa .

Nei terreni alcalini Degenhardt et al hanno osservato che si verificano serie perdite di ABA dalle radici (Degenhardt et al. 2000) e tali perdite sono meno ingenti in presenza della banda del Caspari nell'ipodermide della radice. Quest’ultima non è mai presente nelle leguminose che essendo sottoposte a maggiori perdite si presume che modifichino il processo di segnalazione di aridità nel suolo.

Le radici posseggono tutti gli enzimi ed i precursori della sintesi di ABA. La sua produzione è stimolata dalla riduzione di acqua nel suolo, da un aumento della concentrazione di sali (NaCI CaCl2), da

un’alta concentrazione di ammonio e da carenza di fosfati. La produzione di ABA è ridotta da carenza di azoto, dalla sommersione delle radici e dall'alcalinità del suolo (Hartung et al., 1994; Peuke et al., 1994; Jeschke et al., 1997a; Wolf et al., 1990; Hartung and Jeschke, 1999). L'ABA depositato nei tessuti delle radici viene caricato nello xilema e trasportato alle foglie.

La biosintesi dell'ABA nelle cellule è in aumento solamente quando il potenziale idrico della foglia si abbassa al punto dove il turgore è prossimo a 0 , si comprende quindi l’importanza del trasporto per via xilematica di ABA che è necessario per la regolazione della crescita e il comportamento degli stomi in condizioni di stress. Se l’ormone è capace di raggiungere i siti di azione nelle cellule di guardia, le foglie chiudono gli stomi. Nelle piante in buone condizioni idriche il pH della linfa xilematica e quindi il pH dell’apoplasto è abbastanza acido e perciò l’ABA che arriva andrà rapidamente ad occupare i compartimenti alcalini della foglia (i simplasti).

Wilkinson e Davies, hanno dimostrato che una piccola alcalinizzazione della linfa xilematica (è sufficiente un aumento di circa un’unita) può chiudere significativamente gli stomi senza che sia necessario avere un quantitativo extra di ABA (Wilkinson e Davies, 1997). Questi autori, infatti, hanno ipotizzato che l’ormone, una volta arrivato nella foglia, resti per molto tempo nell’apoplasto a questi pH guadagnando l’accesso alle cellule di guardia. I cambiamenti di pH sono stati osservati proprio in risposta alle variazioni del contenuto idrico nel suolo. In condizioni normali l’ABA è caricato nelle cellule del floema nella foglia e trasportato lontano da essa. Tale processo è

limitato in condizioni di stress dove l’apoplasto diventa molto alcalino e trattiene nella foglia l’ormone che può controllare la crescita ed il comportamento stomatico. II turgore nelle regioni meristematiche della pianta in caso di stress idrico è mantenuto grazie alla limitazione dell’accrescimento fogliare. L'ABA sintetizzato nelle foglie può essere immesso nel floema e trasportato alle radici dove può essere depositato o riammesso in circolazione attraverso i vasi xilematici. II segnale generale dalle condizioni di stress rappresentato dall'ABA, che viene sintetizzato nelle radici e trasportato alle foglie, è un importante scoperta e rappresenta un primo obiettivo per le manipolazioni genetiche. Ultimamente, infatti, gli obiettivi dei genetisti riguardano i geni che controllano le variazioni di pH dei diversi compartimenti cellulari piuttosto che i geni che controllano la sintesi di ABA.

Prove condotte da Sauter e Hantung nel 2001, hanno indotto a credere che il contenuto di ABA nel flusso xilematico della pianta sia sottoposto a diminuzione di concentrazione. Per cui tali studiosi hanno concluso che, affinché si possa mantenere inalterato il "messaggio chimico”, sono i tessuti interni della pianta a provvedere ad una produzione di acido abscisico.