RUOLO DEI BVOC NELLE PIANTE

La funzione dei BVOC nella riproduzione delle piante è ben nota. I fiori sono in grado di rilasciare essenze costituite da diverse abbondanze relative di molti e diversi composti volatili in modo da attrarre specifici impollinatori, i quali, quindi, sono in grado di distinguere le singole specie di piante. Esiste anche l’ipotesi sul ruolo dell’emissione di isoprene per alcuni fiori come vantaggio, dal punto di vista competitivo, per attrarre gli impollinatori. Anche i frutti producono diversi mix di BVOC in relazione al loro stato di maturazione in modo da indirizzare, per così dire, gli animali verso i frutti maturi e permettergli di disperdere semi maturi.

Alcuni BVOC vengono rilasciati da fiori, foglie e radici come protezione dai patogeni grazie alle loro attività antimicrobiche e antifungine, oltre che dagli erbivori per le loro proprietà deterrenti, repellenti o addirittura tossiche. Si parla di interazione tritrofica in riferimento al legame che sussiste fra attacco di specie fitofaghe, risposta della pianta con emissione di BVOC che fungono da segnale per i competitori dei fitofagi (Dicke et al. 1990, Lewis et al., 1997; Thaler, 1993; Cortesero et al., 2000; Hunter, 2001). Il danneggiamento meccanico erbivoro-indotto determina una risposta immediata, che termina nell’arco di poche ore, da parte delle piante attaccate che producono specie volatili come il (Z)-3-esen-1-olo e il suo estere acetico, derivanti dalla via degli ottadecanoidi (Turlings et al., 1998; Kessler e Baldwin, 2001; Dudareva et al.,2006). La risposta vegetale con produzione terpenica risulta invece più lenta, infatti, richiede almeno 4 ore per svilupparsi a seguito del danno (Turlings et al., 1998).

I composti volatili sono una difesa anche contro alcuni stress ambientali (Laothawornkitkul et al., 2009): isoprene e monoterpeni proteggono l’apparato fotosintetico da episodi momentanei di alte temperature e aiutano a prevenire la caduta dell’efficienza fotosintetica proteggendo i fosfolipidi di membrana dei tilacoidali e mantenendo l’integrità delle proteine. Inoltre gli isoprenoidi fungono da antiossidanti nelle foglie, in particolare contro lo stress ossidativo da parte di ozono atmosferico e ossigeno singoletto prodotto durante la fotosintesi. Si suppone che gli isoprenoidi riescano anche ad interferire con i segnali molecolari prodotti dagli ossidanti e che indurrebbero la morte cellulare (Laothawornkitkul et al., 2009).

2.2.3.1 Funzioni dell'isoprene e piante emettitrici

È stato dimostrato che l'isoprene può aiutare la pianta nella protezione da episodi di repentini incrementi di temperatura (Singsaas et al., 1997). L'emissione di isoprene è comune tra gli alberi con foglie larghe che possono ricevere calore dalla luce solare a differenza di piante erbacee che

per mantenere le foglie “fresche” utilizzano grandi quantità di acqua. Generalmente quindi le piante tolleranti all'ombra non emettono isoprene, indicando quindi la correlazione tra emissione di isoprene all'adattamento delle piante alla luce solare.

2.2.3.2 Funzioni dei monoterpeni e piante emettitrici

I monoterpeni sono idrocarburi costituiti da 10 atomi di carbonio prodotti dal DMAPP e dal suo isomero isopentil-pirofosfato.

La biosintesi dei monoterpeni e altri composti quali i carotenoidi e gli steroidi può essere considerata come l'addizione successiva di catene ramificate, ognuna consistente in 5 atomi di carbonio. I monoterpeni sono sintetizzati mediante la condensazione testa-coda del DMAPP e IPP a formare geranil pirofosfato (Ruzika, 1953).

La presenza o assenza dei monoterpeni nei tessuti delle piante sembra variare al livello delle famiglie: ad esempio famiglie come le Pinaceae o le Lamiaceae presentano il più elevato livello di monoterpeni in tutti i membri della relativa famiglia mentre altre famiglie come le Fagaceae non hanno livelli significativi nell'emissione di monoterpeni (Fuentes et al., 2000).

In contrasto alla stretta dipendenza della luce per l'emissione dell'isoprene, le emissioni di monoterpeni sono luce indipendenti anche se alcune specie, quali le querce, mostrano un emissione luce dipendente per i monoterpeni; mentre le foglie giovani nelle conifere mostrano emissioni dei monoterpeni che sono sia luce che temperatura dipendenti (Seufert et al. 1995). La pressione di vapore di particolari monoterpeni dipende sia dalla volatilità che dalla loro concentrazione nel fogliame e recenti studi hanno dimostrato che la concentrazione (dei monoterpeni) all'interno dei tessuti della pianta influenza la relativa emissione in accordo con la legge di Henry. Per questo motivo l'emissione di monoterpeni cresce linearmente con la loro concentrazione (Lerdau et al. 1994a; Lerdau et al. 1995).

A differenza dell'isoprene, nella maggioranza delle piante i monoterpeni sono stoccati in strutture specializzate che variano secondo la tassonomia della pianta. Tra queste strutture sono inclusi ad esempio i peli ghiandolari nelle mente o i canali resinosi nei pini aghiformi appartenenti alla famiglia Pinus. Altre strutture in cui vengono stoccati i monoterpeni sono i dotti ghiandolari, come nelle foglie delle famiglie Citrus e Rutaceae. Cavità di stoccaggio sono invece presenti nelle foglie di Eucalipto. Alcune famiglie in cui la produzione di monoterpeni è

particolarmente rilevante sono Pinaceae, Lamiaceae, Burseraceae e Rutaceae. Si nota inoltre che le foreste temperate decidue emettono scarse quantità di monoterpeni (Fuentes et al., 2000). 2.2.3.3 Funzioni dei sesquiterpeni e piante emettitrici

La biosintesi di questi composti può essere prevista come addizione di un altra unità di isoprene ai monoterpeni. La condensazione del DMAPP e dell'IPP per formare geranil pirofosfato è un passaggio chiave nella formazione dei sesquiterpeni. L'emissione di sesquiterpeni si presenta in molte piante che emettono altri isoprenoidi ma sono difficilmente rilevati per i limiti delle procedure di campionamento o analisi. I metodi per la quantificazione dei flussi sono in genere più lenti dei tassi di reazione; in aggiunta i sesquiterpeni hanno una pressione di vapore relativamente bassa (rispetto agli stri BVOC) e un elevata reattività con l'ozono (Fuentes et al., 2000).

2.2.3.4 Funzioni dei composti ossigenati e piante emettitrici

In addizione all’isoprene e ai monoterpeni, parecchi composti organici volatili sono emessi dalle piante.(Fuentes et al., 2000).

Tutte le piante emettono, ad esempio, metanolo quando le loro foglie sono in espansione (Nemecek-Marshall et al., 1995). È stato suggerito che il metanolo sia prodotto durante l'espansione delle pareti cellulari, e in tale processo, si ha la demetilazione della pectina (MacDonald e Fall, 1993a).

Due composti a basso peso molecolare emessi dalle piante in risposta a ferite, e, di cui è stata studiata la biosintesi, sono il metiljasmonato (metil-3-oxo-2-(2-pentil)-ciclopentanoacetato) e l'etilene (Farmer e Ryan, 1990). Questi due prodotti sono noti per indurre reazioni difensive all'interno delle piante che li producono, ed è stato suggerito che possono anche avere funzioni di segnalatori per altre piante (Farmer e Ryan, 1990).

Altre classi di composti che si formano in seguito a danno subito dalle piante sono gli alcol fogliari e le aldeidi fogliari (Hatanaka, 1993; Lerdau et al., 1997; Fall, 1999).

Il cis-3-esenolo è un alcol fogliare prodotto dal metabolismo dell'acido linoleico, un acido grasso comune nelle membrane (Fall, 1999). L'esenolo e i composti relativi che danno l'odore caratteristico alle foglie possono aiutare nella protezione delle piante ferite da attacchi patogeni (Fuentes et al., 2000).

Un ulteriore importante composto volatile organico ossigenato risulta essere il metil chavicol (1-metossi-4-(2-propenil) benzene) che fornisce protezione da attacchi da parte di erbivori (Salom e Hobson, 1995).

Risulta inoltre importante il metil butenolo (2-metil-3-buten-olo) che risulta emesso direttamente dal fogliame (Guenther et al., 1996; Harley et al., 1998): questo risulta essere estremamente reattivo con OH radicale (Rudich et al., 1995).

Altre classi di composti, di cui si ha evidenza di produzione e emissione da parte delle piante, sono gli acidi carbossilici ( Lerdau et al. 1997; Talbot et al., 1988a; Talbot et al., 1998b).

2.2.3.5 Specie stoccanti e non stoccanti

I VOC sono prodotti in tutte le strutture delle piante e in tutti i compartimenti cellulari, il che è rilevante nelle emissioni dei VOC a causa della differente influenza sui processi diffusivi. Tuttavia, per molti VOC, eccetto che per l’isoprene e alcuni monoterpeni, i coefficienti diffusivi attraverso la membrana cellulare, le pareti cellulari, gli spazi aerei fogliari, le cuticole e gli stomi, non sono ancora noti.

Inoltre, un addizionale complessità nei fattori che controllano le emissioni dei VOC deriva dal fatto che una volta prodotti questi possono essere accumulati o meno in strutture specializzate in dipendenza del composto e della specie (Penuelas e Lluisà, 1999).

Ad esempio, i terpeni sono stoccati nei tricomi ghiandolari delle mente o nei dotti resinosi dei pini, e la loro concentrazione varia tra l’1% e il 3% di massa secca, ma in alcuni casi può raggiungere il 15-20% di concentrazione in massa secca (Farmer e Ryan, 1990; Langenheim, 1994; Penuelas et al., 1995; Shulaev et al., 1997).La quantità di composto immagazzinato può inoltre dipendere più dai tratti genetici della specie che dalle condizioni ambientali alteranti il bilancio fonte-scomparsa di carbonio (Penuelas e Estiarte, 1998).

L’accumulo o l’assenza di stoccaggio oltre che influenzare la concentrazione e la pressione di vapore, influenza in modo considerevole la resistenza diffusiva della specie VOC considerata. La resistenza dipende primariamente dall’anatomia della foglia: la resistenza è grande nei “magazzini interni” come i dotti resinosi rispetto alle strutture esterne come i tricomi ghiandolari.