Parametri di crescita

In base all’analisi della varianza ad una via, si rileva che il fattore “tipologia di trattamento” è statisticamente significativo per: peso secco totale, peso secco delle tre

a c

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componenti (radici, fusti e foglie) e numero di foglie (Tabella 3). Per i restanti parametri presi in esame (rapporto parte epigea/ipogea e peso di foglie giovani non sintomatiche, dati non mostrati), non si registra alcuna significatività.

Il peso secco totale risulta statisticamente inferiore rispetto a quello dei controlli nelle piante sottoposte a carenza idrica singola e combinata (rispettivamente -56,6% e -55,7%). In quelle esposte al solo inquinante non sono state osservate variazioni significative.

A carico della parte ipogea, in nessuna delle tipologie di trattamento sono riportate variazioni statisticamente significative in termini di peso secco di radici rispetto al materiale mantenuto in aria filtrata. Le uniche differenze riscontrate, riguardano i soggetti sottoposti a carenza idrica (singola e combinata) rispetto a quelli esposti ad O3.

Per quanto riguarda la componente epigea, la carenza idrica influenza sia il peso secco dei fusti (rispettivamente -66,9% e -53,9% nello stress idrico singolo o combinato) che quello delle foglie (rispettivamente -58,8% e -77,6%). L’esposizione al solo inquinante influenza unicamente il peso secco delle foglie, che presenta una riduzione rispetto al materiale mantenuto in aria filtrata pari a -51,8%.

In tutte le tesi, è stato riscontrato un effetto negativo sul numero di foglie per pianta. Al termine della sperimentazione, infatti, si registra una riduzione numerica delle foglie stimabile in -71,7%nello stress idrico singolo, -83,0% nello stress da O3 singolo e -92,4% nella combinazione dei due stressori rispetto ai controlli.

A titolo esemplificativo, viene riportato il dettaglio di individui appartenenti alle differenti tipologie di trattamento, campionati al termine dell’esposizione. In accordo con quanto riscontrato dall’analisi statistica, è stato osservato che la massa fogliare negli individui sottoposti agli agenti di stress (idrico e O3, singoli e combinati) è ridotta rispetto a quella del materiale di controllo.

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Figura 29. Immagine di dettaglio di soggetti di Quercus cerris campionati al termine della prova nelle

differenti tipologie di trattamento: mantenuti in aria filtrata e sottoposti ad un idoneo approvvigionamento idrico (control); sottoposti a trattamento con ozono [80 - 100 ppb 5 h x giorno (O3)]; a carenza idrica [- 30% rispetto al controllo (H2O)] e ad entrambi gli stress (O3+H2O). La massa

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Tabella 3. Analisi dei parametri di crescita determinati in piante di Quercus cerris sottoposte a carenza idrica (- 30% rispetto al controllo), trattamento con O3 (80- 100

ppb x 5 h x d-1) ed entrambi gli stress per 77 giorni consecutivi. Lettere diverse indicano valori significativamente diversi (P≤0,05). Gli asterischi indicano differenza statisticamente significative per: * = P≤0,05; ** = P≤0,01.

Parametri di crescita Controllo Stress idrico Stress ozono Stress combinato P

Peso secco totale (g) 41,34±11,021 b 17,92±3,476 a 36,72±6,471 b 18,31±0,930 a **

Peso secco radici (g) 14,54±2,420 ab 8,30±2,643 a 20,16±7,234 b 8,16±0,075 a *

Peso secco fusti (g) 17,53±6,852 b 5,80±0,702 a 12,09±1,470 ab 8,08±0,680 a *

Peso secco foglie (g) 9,27±2,812 b 3,82±1,551 a 4,47±0,357 a 2,08±0,325 a **

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4. DISCUSSIONE

A livello mondiale, il clima sta cambiando a causa delle emissioni antropiche di gas serra e continuerà a farlo nel prossimo futuro (Hu et al., 2013). Negli ultimi 100 anni, infatti, tale fenomeno ha determinato (i) un aumento dei livelli superficiali di temperatura e (ii) cambiamenti evidenti delle precipitazioni [in termini di distribuzione ed intensità (IPCC, 2007)] che risultano essere più marcati nell’Europa Centro- Meridionale.

In ambito urbano, le piante sono tra i recettori più sensibili, in particolare le specie arboree in virtù del loro ampio ciclo vitale. Questo permette agli alberi di avere la capacità di sviluppare adattamenti strutturali, morfologici e fisiologici alle condizioni ambientali. A tal proposito, lo studio delle risposte ecofisiologiche di piante sottoposte a differenti tipologie di stress ossidativo, è necessario per pianificare e stabilire la scelta delle essenze nelle città future, in particolare del bacino del Mediterraneo.

Oggetto del presente lavoro è stato il cerro, specie quercina mesofila ma tollerante a brevi periodi di siccità (grazie al suo profondo apparato radicale), di cui non si conoscono, a seguito di specifiche prove sperimentali, eventuali risposte macroscopiche all’O3. Considerando che le querce, in generale, hanno mostrato un alto livello di resistenza e di adattamento a condizioni ambientali sfavorevoli (Bussotti et al., 2013) in virtù della loro ampia diffusione nell’areale mediterraneo, appare rilevante comprendere gli eventuali meccanismi di risposta di queste specie a stress singoli e combinati a livello del processo fotosintetico.

Stress idrico

Gli individui di cerro in condizioni di deficit idrico (come supportato dalla stima del potenziale idrico fogliare i cui valori risultano significativamente ridotti rispetto ai controlli per l’intera durata della sperimentazione) mostrano danni visibili evidenti a partire dalla sesta settimana di analisi. Ad ora, in letteratura non sono disponibili

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informazioni riguardanti la sintomatologia manifestata da piante di cerro sottoposte a stress idrico.

La risposta delle piante alla carenza idrica conta di un ampio ventaglio di meccanismi che possono nei casi estremi, condurre a morte o ad adattamento. In ambiente naturale dove questo agente di stress agisce in combinazione con altri, tali risposte risultano sinergiche e/o antagonistiche. Ad esempio, la chiusura stomatica consente all’organismo di superare condizioni avverse che si protraggono per brevi periodi, mentre l’acclimatazione contribuisce, attraverso l’attivazione di sistemi antiossidanti enzimatici e non, di migliorare l’efficienza fotosintetica anche in presenza di prolungate situazioni di stress (Pinheiro et al., 2001).

Tra i vari processi che consentono alla pianta di acclimatarsi, vi sono anche modifiche a livello strutturale legate al differente accumulo di sostanze di riserva (coinvolte nel metabolismo del carbonio e dell’azoto) nelle porzioni ipogee rispetto a quelle epigee (Noctor et al., 2002). A tal proposito, sulla base dell’analisi dei parametri biometrici condotta al termine della sperimentazione è possibile osservare che l’effetto dello stress idrico si manifesta preferenzialmente a carico della parte aerea delle piante (fusti e foglie). Analoghi risultati sono stati riportati su Quercus petrea in presenza di un non idoneo approvvigionamento idrico (Fort et al., 1997; Thomas e Gausling, 2000; Gieger e Thomas 2002). Dallo studio sugli effetti della carenza idrica sulla partizione della biomassa in individui di Quercus robur e Q. petrea mantenuti in condizioni controllate, Gieger e Thomas, (2002) riportano un significativo calo del numero di foglie a dimostrazione che le piante fossero in grado di rispondere allo stress riducendo la superficie traspirante e, di conseguenza, la perdita d’acqua compensando così l’alterazione del processo fotosintetico.

Dall’analisi settimanale e giornaliera degli scambi gassosi fotosintetici, appare evidente come lo stress idrico induca un effetto marcato sulla performance fotosintetica degli individui arborei, confermato dal concomitante calo dei livelli di A e di gs accompagnato da una riduzione dell’evapotraspirazione. Tale risultato è in accordo con quanto riportato da Manes et al., (2006) in uno studio condotto in

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ambiente controllato su individui di Q. cerris, Quercus frainetto e Q. ilex sottoposti a carenza idrica.

E’ noto che la regolazione stomatica sia uno dei principali meccanismi attivati dalle piante in condizioni di inadeguato approvvigionamento idrico (Cornic, 2000; Wilson et al., 2000; Chaves et al., 2002; Grassi e Magnani, 2005). Nel nostro caso, poiché la concentrazione intercellulare media di CO2 non mostra significative variazioni rispetto al materiale arboreo adeguatamente irrigato, è possibile ipotizzare che il processo fotosintetico presenti non solo limitazioni stomatiche ma anche biochimiche. Visto che a seguito della riduzione stomatica l’afflusso di CO2 risulta ridimensionato, valori di Ci simili ai controlli denotano danni a carico del mesofillo che non è in grado di utilizzare ed incanalare efficientemente la CO2 nei pathways assimilativi. Quanto affermato è in accordo con la letteratura ad ora disponibile su piante arboree tipiche del bacino del Mediterraneo (Chaves, 1991; Lawlor e Cornic, 2002; Flexas et al., 2008).

Dalle misure settimanali e giornaliere della fluorescenza delle clorofilla a, si evince che nelle piante di cerro sottoposte a carenza idrica, non si osservano significativi e persistenti effetti a livello del PSII in termini di fotodanno [i livelli di Fv/Fm si mantengono all’interno del range ottimale definito in letteratura per una pianta sana (0,80-0,86), Björkman e Demming (1987)]. In accordo con quanto riportato, Koller et al., (2013a) osservano che in individui di Q. robur sottoposti a stress idrico in ambiente controllato, il rapporto Fv/Fm non mostra variazioni significative sebbene il livello di assimilazione di CO2 risulti ridotto rispetto al materiale adeguatamente irrigato.

La concomitante riduzione della resa quantica effettiva che si riscontra a partire dalla sesta settimana di sperimentazione, suggerisce la presenza di fotoinibizione a carico del PSII. L’incremento significativo (anche se altalenante durante l’intero periodo di sperimentazione) dei livelli di quenching non fotochimico suggerisce che le piante sottoposte a stress idrico sono in grado di attivare dei meccanismi fotoprotettivi, quali la dissipazione dell’energia di eccitazione in eccesso attraverso il calore, indicando così la necessità di diminuire la sovreccitazione a livello delle membrane.

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Stress da ozono

Negli esemplari di cerro sottoposti a trattamento cronico con l’inquinante e ad un adeguato approvvigionamento idrico (come supportato dalla stima del potenziale idrico fogliare i cui valori risultano inalterati rispetto ai controlli per l’intera durata della sperimentazione), non si evidenziano danni fogliari visibili durante e al termine della fumigazione. Al momento non sono presenti in letteratura, studi sperimentali riguardanti la risposta macroscopica di questa specie all’O3.

L’impatto di questo contaminante (a basse concentrazioni per lunghi periodi) su individui appartenenti al genere Quercus è stato oggetto di numerosi lavori condotti sia in ambiente controllato (Manes et al., 1998; Farage, 1996; Vitale, 2008) che in condizioni naturali (Velikova et al., 2005; Ribas et al., 2005; Bussotti et al., 2007; Gerosa et al., 2008; Bussotti e Ferretti, 2009; Catalayud et al., 2010; 2011). I risultati ottenuti appaiono, tuttavia, spesso contrastanti e strettamente specie-specifici (Ferretti et al., 2003; Catalayud et al., 2011;) oltre che inter-specifici (Ribas et al., 2005).

In base alle analisi dei parametri biometrici, si evince che l’O3 determina esclusivamente una riduzione a carico dell’apparato fogliare (in termini di numero e di peso delle foglie) a dimostrazione del fatto il cerro possa aver attivato un processo di acclimatazione attraverso la modificazione della parte epigea, in accordo con quanto riportato da Bussotti e Ferretti, (2009). Analoghi risultati sono stati riportati da Zierl, (2002) e da Ferretti et al., (2003, 2007) su specie forestali.

È ben noto che gli effetti dell'O3 dipendono non solo dalla dose dell’inquinante che entra nel tessuto fogliare (Matyssek et al., 2006), ma anche dall'equilibrio tra questa e la capacità della pianta stessa di attivare meccanismi di difesa e/o di esclusione così da far fronte allo stress ossidativo indotto (Paoletti et al., 2008.; Castagna e Ranieri, 2009). Pertanto, al fine di comprendere al meglio come questo contaminante colpisca il bersaglio, devono essere presi in considerazione anche gli aspetti fisiologici (soprattutto scambi gassosi fotosintetici e fluorescenza della clorofilla

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a) oltre che quelli biochimici (sistemi antiossidanti enzimatici e non; Catalayud et al., 2011).

Dall’analisi degli scambi gassosi fotosintetici, è stato possibile evidenziare un comportamento altalenante e transiente del processo fotosintetico e dei parametri che lo regolano, in risposta all’O3 nei primi 2 mesi di sperimentazione. Dopodiché le risposte delle piante iniziano ad assumere un andamento costante; infatti una significativa e perdurante riduzione dei livelli di A si osserva a partire dalla settima settimana ed è accompagnata da un calo della conduttanza stomatica. Simili risultati sono stati riportati da Wang et al. (2009) in foglie di Quercus mongolica sottoposte ad un trattamento cronico con l’inquinante (40 ppb, 9 h giorno-1, per 90 giorni consecutivi.

Attualmente non è ancora stato stabilito se la riduzione della conduttanza stomatica sia una causa o una conseguenza del calo di fotosintesi. E’ noto ormai da tempo che la stima dell’apertura e/o chiusura degli stomi è considerata una misura utile ed efficace per quantificare la risposta delle piante a questo inquinante (Reich 1987). A tal proposito, è stato dimostrato che differenze nella regolazione e nella risposta stomatica possono definire differenti gradi di sensibilità all’O3. Ad esempio, varietà o cultivars o specie considerate resistenti rispondono generalmente al contaminante attraverso la chiusura degli stomi (Butler and Tibbits, 1979).

In relazione a quanto ottenuto con le nostre analisi, è possibile affermare che gli individui di cerro sottoposti a trattamento cronico con O3 sono in grado di attivare meccanismi di esclusione dell’inquinante (avoidance) dopo circa 2 mesi di esposizione.

Riguardo all’attività del mesofillo in analogia a quanto sopra-riportato, è stato possibile evidenziare un comportamento altalenante e transiente della concentrazione interna di CO2 nei primi 2 mesi di sperimentazione. Soltanto a partire dalla settima settimana, i livelli di Ci non mostrano differenze statisticamente significative rispetto ai controlli sebbene il processo fotosintetico risulti negativamente influenzato dal trattamento. Questo risultato suggerisce che le piante sono in grado di indirizzare gli elettroni verso processi biochimici alternativi come la fotorespirazione e/o la reazione

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di Mehler, che svolgono una funzione chiave nel foto-proteggere le membrane tilacoidali da situazioni di sovraeccitazione e rendere disponibili NADP+ e ADP.

In base a quanto riportato, è possibile ipotizzare che la risposta degli individui arborei all’O3, non dipende esclusivamente dalla chiusura stomatica, ma anche dalla diversa capacità delle cellule fotosinteticamente attive del mesofillo di riparare i danni fotossidativi (Francini et al., 2008).

È ormai noto che l’O3 sia in grado di provocare alterazioni nella capacità delle piante di utilizzare la luce (Pell et al., 1992). In assenza di adeguati meccanismi atti a prevenire il potenziale danno derivato da un accumulo di energia di eccitazione nell’apparato fotochimico, si può verificare un eccessivo calo dei centri di reazione dei fotosistemi che, a sua volta, favorisce l’induzione del processo di fotoinibizione (Ort, 2001).

Dalle misure settimanali e giornaliere si evince che nelle piante di cerro trattate col solo inquinante, non si osservano significativi e persistenti effetti a livello del PSII in termini di (i) fotodanno e (ii) fotoinibizione (i valori di Y sono analoghi a quelli costitutivi). L’assenza di fotodanno in altre specie quercine sottoposte a trattamento cronico con O3 in condizioni naturali e/o controllate è stata verificata in numerosi studi sperimentali a conferma della spiccata tolleranza di queste essenze all’inquinante. Samuelson e Edwards (1993) osservano in individui di Q. rubra che il contaminante (2 x concentrazione ambiente di O3 in OTC da aprile a settembre) non determina alterazioni significative del rapporto Fv/Fm. Ribas et al. (2005) riportano analoghi risultati in giovani piante Q. ilex in esperimenti condotti in OTC (40 ppb per 10 ore consecutive, per due anni). Farage, (1996) giunge ad analoghe conclusioni conducendo prove sperimentali in condizioni controllate (40 ppb, 24 h giorno-1, per 7 mesi) su Q. robur.

Per quanto riguarda i parametri relativi alla fase lenta della curva di Kautsky, non si registrano significative variazioni a livello del qP e del qNP a dimostrazione del fatto che la pianta non avesse la necessità di dissipare l’energia di eccitazione a carico del PSII non utilizzata dal processo biochimico della fotosintesi.

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Stress combinato

Gli individui di cerro in condizioni di deficit idrico (come supportato dalla stima del potenziale idrico fogliare i cui valori risultano significativamente ridotti rispetto ai controlli per l’intera durata della sperimentazione) combinato a stress da O3 mostrano danni visibili evidenti a partire dalla sesta settimana di analisi. Ad ora, in letteratura non sono disponibili informazioni riguardanti la sintomatologia manifestata da piante di cerro sottoposte a combinazioni di differenti agenti di stress ossidativo.

Dallo studio dei parametri biometrici si osserva che la combinazione di carenza idrica ed inquinante determina significativi effetti a carico della sola parte epigea. In analogia a quanto precedentemente riportato, in bibliografia non sono disponibili evidenze riguardanti la ripartizione della biomassa in piante di cerro sottoposte a stress combinati.

Dall’analisi settimanale e giornaliera degli scambi gassosi fotosintetici, appare evidente come lo stress idrico combinato con O3 induca un effetto marcato sulla performance fotosintetica degli individui arborei. Tali limitazioni sono sia stomatiche, come confermato dal concomitante calo dei livelli di A e di gs accompagnato da una riduzione dell’evapotraspirazione, che biochimiche, come dimostrato dai valori di Ci che si attestano a quelli costitutivi. Tale risultato trova ampi riscontri in letteratura (Löw et al., 2006; Matissek et al., 2006; Vitale et al., 2008; Manes et al., 2007).

Dalle misure settimanali e giornaliere della fluorescenza delle clorofilla a, si evince che nelle piante di cerro sottoposte a stress combinati, non si osservano significativi e persistenti effetti a livello del PSII in termini di fotodanno mentre la resa quantica effettiva subisce una marcata riduzione a partire dalla sesta settimana di sperimentazione. Tale risultato suggerisce la presenza di fotoinibizione a carico del PSII. Poiché i livelli di qP risultano significativamente inferiori rispetto al materiale adeguatamente irrigato e mantenuto in aria filtrata è possibile ipotizzare che le piante sottoposte a stress incrociato non siano in grado di attivare meccanismi fotoprotettivi a livello biochimico (come confermato dalla riduzione dell’attività fotosintetica).

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Conclusione

Sia le analisi dei parametri biometrici che le misure ecofisiologiche (settimanali e circadiane) delle piante sottoposte ad entrambi gli stress non divergono qualitativamente da quelle ottenute nelle piante sottoposte alla singola carenza idrica.

Sulla base dei risultati ottenuti è possibile concludere che Q. cerris risulti tollerante all’O3 e che la scarsa disponibilità di acqua sia il principale fattore che ne limita la performance fotosintetica. Pertanto, se questi dati dovessero essere confermati, si potrebbe ipotizzare l’utilizzo di questa specie come essenza ornamentale anche in città caratterizzate da livelli medio- alti di inquinamento atmosferico dovute a questo inquinante in cui, però, deve essere assicurato un adeguato rifornimento idrico (artificiale o naturale).

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