Efficienza di conversione della luce in qualità del frutto nel pesco: studio dei meccanismi eco-fisiologici e biochimico-molecolari per una frutticoltura più sostenibile

Starting date
April 1, 2011
Duration (months)
36
Departments
Biotechnology
Managers or local contacts
Dall'Osto Luca

La sostenibilità ambientale rappresenta un'importante sfida per la ricerca scientifica. La frutticoltura necessita di soluzioni per ridurre l'utilizzo delle risorse, massimizzando la qualità delle produzioni. Questi obiettivi non possono essere raggiunti senza una profonda conoscenza dei meccanismi ecofisiologici, biochimici e molecolari coinvolti nel processo di trasformazione di luce e CO2 in sostanza secca accumulata nei frutti, fattore determinante per la qualità delle produzioni frutticole. La regolazione di questo complesso meccanismo dipende da fattori interni ed esterni la pianta; il presente progetto si propone di studiare, in pesco, la serie di eventi alla base di produzione, trasporto e accumulo di sostanza secca nei frutti, in funzione dei principali parametri ambientali (luce e deficit di pressione di vapore - VPD). Il lavoro sarà suddiviso in 4 "Work Packages" che considereranno: i processi di trasformazione di luce e CO2 in carboidrati pronti per il trasporto (WP1), le relazioni idriche dell'albero ed il trasporto dei carboidrati (WP2), i fattori determinanti della forza del frutto come "sink" e della sua qualità (WP3), l’analisi bio-informatica del sistema integrato intera pianta (WP4).
La luce rappresenta una risorsa fondamentale per la vita delle piante; una relazione saturante lega il tasso fotosintetico all'intensità luminosa. Quando quest'ultima è troppo bassa l'assimilazione di carbonio è limitata; al contrario, quando è troppo elevata può causare stress foto-ossidativi e danneggiare l'apparato fotosintetico (fotodanno). Le piante hanno evoluto diversi meccanismi di fotoprotezione, tra cui la dissipazione termica, i trasporti elettronici alternativi, la fotorespirazione ed i meccanismi di "scavenging" attraverso antiossidanti come carotenoidi e vitamine. Queste strategie variano in funzione di specie, momento della stagione e condizioni ambientali. Fotodanno e fotoprotezione possono avere un impatto sulla disponibilità di sostanza secca per i sink;infatti la necessità di fotoproteggere e riparare i sistemi danneggiati sottrae fotoassimilati alla traslocazione verso i "sink". Biosintesi e caricamento nel floema dei carboidrati (sorbitolo e saccarosio), rappresentano le tappe critiche che seguono l'assimilazione del carbonio nella foglia. Tali processi dipendono dal tasso fotosintetico e dalla fotoprotezione e possono essere influenzati, direttamente o indirettamente, da cambiamenti di luce e VPD. Dopo il caricamento nel floema, sorbitolo e saccarosio sono traslocati verso i "sink" grazie a gradienti di pressione di turgore che nei vasi floematici e xilematici giocano un ruolo chiave nel regolare il trasporto dei carboidrati verso i "sink". Un incremento di irradianza e VPD aumenta conduttanza stomatica e traspirazione. Oltre alla funzione di trasporto, l'acqua persa ha anche un ruolo funzionale nella produzione di sostanza secca dal momento che permette alla foglia di "rinfrescarsi" ed allo steso tempo di tenere aperti gli stomi. L'efficienza di utilizzo dell'acqua può essere quindi definita sia come quantità di sostanza secca assimilata dai "source", che come sostanza secca accumulata dai "sink" per unità di acqua persa dall'albero. In entrambi i casi, le variazioni dei parametri ambientali possono influenzare l'efficienza di utilizzo idrico. Una volta traslocati ai frutti, i carboidrati vengono scaricati attraverso meccanismi simplasmici o apoplasmici. Lo scaricamento floematico simplasmico può essere regolato da gradiente di pressione di turgore o di concentrazione tra il floema e le cellule parenchimatiche. Tuttavia, quando questi gradienti sono troppo bassi è necessario un trasporto attivo (scaricamento apoplasmico) dei carboidrati all'interno del frutto. Il frutto può raggiungere bassi potenziali idrici durante le ore centrali della giornata, grazie ad un'alta conduttanza di superficie. Meccanismi di scaricamento passivo sono quindi possibili durante la fase di distensione cellulare e possono essere influenzati dal VPD, mentre durante la divisione cellulare è stata identificata una via di trasporto attivo del saccarosio nel frutto. Dopo lo scaricamento, i carboidrati sono metabolizzati da diversi enzimi: le invertasi acide e neutra e le saccarosio sintetasi, coinvolte nell'idrolisi del saccarosio; sorbitolo deidrogenasi ed ossidasi rispettivamente implicate nella conversione da sorbitolo a fruttosio e a glucosio. Attività e livelli di espressione di queste proteine sono alti durante la divisione cellulare, quando il frutto mostra un alto tasso di crescita relativo, e calano notevolmente con l'avanzare della stagione. Scaricamento floematico e metabolismo dei carboidrati sono processi chiave nel determinare la forza del frutto come "sink". Gli antiossidanti, come i carotenoidi e le vitamine rappresentano ulteriori determinanti della qualità. Tuttavia, le rispettive vie biosintetiche nel frutto non sono ancora chiare anche se sembrano essere legate alle condizioni luminose ed al metabolismo degli zuccheri. L'effetto delle variazioni ambientali sulla molteplicità di questi processi è ancora poco chiaro ma rappresenta un punto di notevole interesse poichè pone le basi per il controllo della qualità del frutto.
Il progetto si propone di studiare gli effetti di luce e VPD sui processi coinvolti nella conversione "luce-qualità del frutto" su scala giornaliera e stagionale. L’approccio utilizzato sarà: (i) multidisciplinare, prevedendo studi ecofisiologici, biochimici e molecolari; (ii) sistemico, considerando le reciproche relazioni tra comparti source e sink, le condizioni microclimatiche ed i comportamenti ecofisiologici, biochimici e molecolari, mediante uno studio matematico/modellistico ad hoc.
La ricerca sarà effettuata in 3 anni da 3 unità di ricerca. Nel I e II anno l'Università di Bologna (coordinatrice del progetto) allestirà prove sperimentali su piante di pesco in vaso che saranno soggette ai seguenti trattamenti:ombreggiamento al 30-40% con reti bianche; nebulizzazione di acqua soprachioma e controllo. Questi trattamenti permetteranno di studiare separatamente gli effetti di luce e VPD sui processi considerati. Gli andamenti giornalieri di gestione dell'energia da parte della foglia, scambi gassosi, relazioni idriche, flussi vascolari e tasso di crescita del frutto verranno monitorati dall'Università di Bologna nelle fasi di divisione cellulare, indurimento del nocciolo e distensione cellulare. Contemporaneamente, campioni di foglia e frutto saranno raccolti e inviati alle unità di Verona e Udine per le determinazioni biochimiche e biomolecolari relative al metabolismo dei carboidrati, ai meccanismi fotoprotettivi e foto-ossidativi, alle determinazioni di antiossidanti nelle foglie e nei frutti. Il campionamento ripetuto durante il giorno permetterà di studiare gli effetti giornalieri delle variazioni di luce e VPD. Tutti i dati raccolti dalle 3 Unità verranno quindi gestiti dall’Unità di Udine per la determinazione di modelli per sintetizzare i risultati ottenuti attraverso un approccio integrante i comparti source e sink e le componenti biomolecolare, biochimica ed ecofisiologica.
Durante il III anno una prova simile verrà impostata in un frutteto, al fine di confermare a livello di pieno campo i risultati ottenuti su piante in vaso. In questo anno verrà effettuata una ulteriore prova per studiare gli effetti di un elevato VPD sui principali meccanismi studiati.
Questo lavoro ha l'ambizione di fornire una integrata comprensione (dalle basi genomiche al comportamento ecofisiologico) del percorso che va dalla conversione dell'energia in sostanza secca alla sua allocazione nei frutti e di come i principali parametri ambientali possono influenzare tale processo. L'approccio multidisciplinare proposto mira a costruire sinergie tra le discipline coinvolte, al fine di fornire importanti conoscenze di base per lo sviluppo di metodi più sostenibili di produzione di frutti (non solo pesche) ad alto livello qualitativo.

Sponsors:

FIRB VALUTATO POSITIVAMENTE
Funds: requested
Syllabus: FIRB

Project participants

Luca Dall'Osto
Associate Professor
Research areas involved in the project
Plant Sciences

Activities

Research facilities