Fisiologia e biochimica vegetali (2008/2009)

Corso a esaurimento (attivi gli anni successivi al primo)

Codice insegnamento
4S00281
Crediti
9
Coordinatore
Roberto Bassi
Altri corsi di studio in cui è offerto
L'insegnamento è organizzato come segue:
Modulo Crediti Settore disciplinare Periodo Docenti
Fisiologia vegetale (laboratorio) 1 BIO/04-FISIOLOGIA VEGETALE 2° Sem Roberto Bassi
Biochimica vegetale 4 BIO/04-FISIOLOGIA VEGETALE 2° Sem Luca Dall'Osto
Fisiologia vegetale 4 BIO/04-FISIOLOGIA VEGETALE 2° Sem Roberto Bassi

Obiettivi formativi

Modulo: Fisiologia vegetale
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Il corso si propone di dare una visione integrata del funzionamento dell’organismo vegetale come risultate dal co-adattamento tra le diverse funzioni biochimiche e cellulari che si esprimono in maniera differenziata nei diversi organi e tessuti della pianta. Verranno illustrati le differenze principali tra la fisiologia degli organismi eterotrofi ed autotrofi ed i particolari adattamenti di questi ultimi necessari alla vita nelle condizioni ambientali caratterizzate da una disponibilità di energia (luce) a bassa concentrazione. Lo studente dovrà considerare gli effetti dell’integrazione metabolica, strutturale e funzionale ed identificare quali siano i fattori limitanti la produttività delle piante agrarie. Importanza verrà data ai metodi di studio della fisiologia vegetale e all’uso della genetica e della biofisica. Il modulo di esercitazioni sarà diretto ad illustrare aspetti metodologici della genetica funzionale.
Parole chiave: autotrofia, biofisica, fisiologia, integrazione struttura-funzione.


Modulo: Fisiologia vegetale (laboratorio)
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vedi modulo di teoria


Modulo: Biochimica vegetale
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Il corso di biochimica vegetale si propone di dare una visione integrata di alcuni aspetti fondamentali del metabolismo primario delle piante e della integrazione e influenza reciproca delle diverse vie metaboliche. Il corso si propone di definire alcune vie metaboliche principali e di fornire le basi per le metodologie di analisi metaboliche con metodi biochimici, genetici e biofisici. Lo studio delle basi teoriche verrà integrato dall’illustrazione di applicazioni biotecnologiche dell’ingegnerizzazione delle vie metaboliche in questione con particolare riguardo ai metodi biochimici e biofisici per la selezione di mutanti.

Programma

Modulo: Fisiologia vegetale
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Lezioni teoriche:

1. Introduzione: cos’è la fisiologia vegetale e delimitazione del suo campo di indagine. Metodi di studio. Significati e adattamenti dell’autotrofia vs eterotrofia. Organizzazione strutturale e funzionale della pianta rispetto alla densità di energia della luce incidente. Densità di materia vivente di una pianta vs animale.

2. Differenze tra cellula vegetale e animale: plastidi e cloroplasto, mitocondrio, vacuolo, perossisoma. (argomento già trattato in biochimica vegetale – comunque le allego la presentazione che ho usato io)

3. L’acqua. Osmosi, flusso di massa. Il potenziale chimico dell’acqua. Assorbimento radicale. Lo xilema, struttura e funzione. Movimento dell’acqua nello xilema: "Cohesion tension theory". Cavitazione e meccanismi di protezione\recupero. Origine della tensione. La foglia: gli stomi e la traspirazione.

4. Struttura e funzioni delle membrane biologiche. Relazioni ioniche cellulari: energetica di processi di trasporto, equazione di Nernst, origine della differenza di potenziale elettrico transmembrana, meccanismi di trasporto (traslocatori, canali, pompe).

5. Fisiologia dell’acquisizione dei nutrienti minerali, macro- e micro-nutrienti. Il concetto di elementi essenziali.

6. Il floema: struttura funzione. Pressure-flow hypothesis. Il trasporto: composizione della linfa floematica, loading e unloading.

7. Biosintesi della cellulosa e sua deposizione nella parete cellulare. La parete cellulare: estensibilità, teoria della crescita acida. Le espansine. La polarità della crescita, il Ca2+.

8. Ciclo cellulare e crescita dell’organismo vegetale: formazione del seme, dormienza e germinazione. Sintesi\mobilizzazione di amido, proteine di riserva e lipidi di riserva.

9. Percezione e trasduzione del segnale.

10. Gli ormoni vegetali. Le auxine: struttura, biosintesi, movimento dell’IAA, modello chemiosmotico del trasporto polare. Meccanismo d’azione dell’auxina. Acido abscissico (ABA): sviluppo e dormienza del seme. ABA e chiusura degli stomi. Accenni agli altri ormoni delle piante.

11. Fitocromo: la percezione della luce come informazione, la luce rossa-rosso lontano, crescita e sviluppo, fotoperiodismo. Le risposte alla fluenza: VLFR, LFR e HIR. La struttura del fitocromo, attività chinasica, localizzazione nella pianta e localizzazione cellulare.

12. Criptocromo: la luce blu ed UVA. Fototropismo e luce blu. Regolazione dell’apertura degli stomi. Caratterizzazione dei geni coinvolti nella percezione della luce blu: mutanti Hy4 e mutanti Cry. Fototropismo.


Esercitazioni pratiche:

- Sistemi modello per la genetica fisiologica: Chlamydomonas reinhardtii, Physcomitrella patens, Arabidopsis thaliana, Hordeum vulgare. Ricombinazione omologa ed eterologa. Aploidia e diploidia. Autotrofia e mixotrofia. Vantaggi/svantaggi dei diversi modelli.
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Mutagenesi chimica ed inserzionale.

Selezione fenotipica: fenotipi visibili, fenotipi fisiologici, fenotipi biofisici.

Caratterizzazione fisiologica dei mutanti foto sintetici selezionati: cinetica di induzione di fluorescenza, curve di Kautsky.
Caratterizzazione biochimica dei mutanti foto sintetici selezionati: composizione in pigmenti, immunoblotting con anticorpi marcatori per le proteine foto sintetiche.


Modulo: Fisiologia vegetale (laboratorio)
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vedi modulo di teoria


Modulo: Biochimica vegetale
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Programma del corso

1.Plastidi: struttura, specializzazione funzionale. Cloroplasti, biosintesi di clorofilla e carotenoidi, biosintesi dei lipidi, struttura del genoma plastidiale ed espressione genica, import di proteine.
2.Fotosintesi: assorbimento della luce, destino degli stati eccitati, ruolo delle clorofille e dei carotenoidi, il sistema antenna delle piante superiori, trasferimento di energia tra cromofori.
3.Fotosintesi: i centri di reazione, trasferimento di elettroni nella membrana del cloroplasto, PSII e PSI, ciclo Q, ossidazione dell’acqua, sintesi di ATP, eterogeneità laterale e transizioni di stato, stress fotossidativo, Chlamydomonas reinhardtii come fonte di bio-idrogeno.
4.Fotosintesi: uso della fluorescenza delle clorofille per studiare i meccanismi della fotosintesi (danni all’apparato fotosintetico, Non-Photochemical Quenching (NPQ), transizioni di stato…) o per facilitare lo screening di una popolazione di mutanti.
5.Fotosintesi: organicazione della CO2 nelle piante C3, C4 e CAM, la via fotorespiratoria.
6.Metabolismo dell’azoto: fissazione simbiontica dell’N2, struttura e funzione dei noduli radicali, assorbimento e riduzione del nitrato, riduzione del nitrito.
7.Metabolismo dello zolfo: chimica dello zolfo, assorbimento, trasporto e assimilazione del solfato, ruolo del glutatione, fitochelatine.
8.Regolazione e interconnessione del metabolismo: metabolismo dei carboidrati, sintesi e degradazione di saccarosio e amido, interazione tra i pools degli esoso fosfati e dei pentoso fosfati, regolazione dell’assimilazione del carbonio, controllo del metabolismo tra citosol e cloroplasto, gluconeogenesi.
9.Biosintesi degli aminoacidi: assimilazione dell’azoto inorganico, sintesi di aa aromatici, sintesi di amminoacidi contenenti zolfo, quadro generale della biosintesi degli aa derivati dall’aspartato, aa a catena ramificata, prolina, istidina, arginina, interazioni tra l’assimilazione del nitrato e il metabolismo del carbonio, ruolo del mitocondrio nel sostenere le vie biosintetiche degli aa nel plastidio.
10.I mitocondri nelle piante superiori.
11.Metabolismo secondario: attivazione del metabolismo secondario e ruolo dei ROS, biosintesi di IPP (via cloroplastida e via citosolica), biosintesi dei terpenoidi, funzione degli alcaloidi, fenilpropanoidi, lignine, lignani e suberine, flavonoidi, curarine, glucosidi cianogenici.

Modalità d'esame

Modulo: Fisiologia vegetale
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La prova di esame ha due componenti:

a) Prova scritta con domande semplici a scelta multipla: Serve come ammissione alla prova di esame orale. Può essere utilizzata anche come prova unica ma, in questo caso il voto massimo raggiungibile è 24. La relazione individuale sulle esercitazioni è necessaria per lo svolgimento della prova. Relazioni che risulteranno essere cloni di altre verranno rifiutate.

b) Prova orale: Discussione con il docente su argomenti riguardanti lezioni teoriche ed esercitazioni. E’ possibile portare come argomento a scelta un articolo scelto tra una lista proposta ed illustrato in forma di powerpoint.


Modulo: Fisiologia vegetale (laboratorio)
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vedi modulo di teoria


Modulo: Biochimica vegetale
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L’esame è composto da due parti:

a) Scritto. In 60 minuti verrà saggiata la capacità dello studente di descrivere le principali vie metaboliche con le formule dei metaboliti principali, gli enzimi e i co-fattori implicati.
b) Orale. Lo studente discuterà gli argomenti del corso cercando di dimostrare spirito critico e consapevolezza della struttura della materia di studio.