Fisiologia Vegetale PDF

FISIOLOGIA VEGETALE Motivazioni che rendono attuale lo studio della fisiologia vegetale: le piante sono sessili, sono immobili, e devono difendersi, non potendo scappare dall’ambiente esterno che le circonda, determina un problema fondamentale, che è quello di rispondere immediatamente con la biochimica, le reazioni chimiche che consentono alle piante di adattarsi all’ambiente in modo molto veloce, altrimenti le piante non sarebbero sopravvissute, e neanche noi, perché noi viviamo strettamente dalle piante. Gli organelli della cellula sono strettamente correlati, cioè se avviene fotosintesi è perché la pianta ha bisogno di esportare poi dal cloroplasto gli zuccheri, trasformarli nel citosol in saccarosio e esportarli al resto della pianta. Se la sintesi di saccarosio eccede l’esportazione, cioè se ne fa troppo, a feedback si blocca la sintesi di saccarosio, si blocca l’esportazione dal cloroplasto, e nel cloroplasto sintetizzante si forma amido che verrà utilizzato di notte. Questa regolazione non è affatto semplice, ed è una delle regolazioni più importanti, è come la nostra regolazione insulina-glucagone, cioè, è una cosa fondamentale per il controllo energetico dell’organismo e per la sopravvivenza. Le piante possono utilizzare dei composti chimici, per esempio i flavonoidi, per fare cose diverse, perché spesso usano stesse molecole o molecole a scheletro simile, per fare cose completamente diverse. Alcune leguminose utilizzano flavonoidi per adescare simbionti, che significa? Le piante hanno bisogno in alcuni casi di azoto, quando non c’è azoto nel sistema esterno, cioè nel terreno, basti pensare che l’adattamento delle piante carnivore è un adattamento per trovare azoto, cioè le piante carnivore si sono adattati in terreni o in aree prive di azoto, prendendo azoto dagli animali, dagli insetti, che catturano, quindi è un adattamento per l’azoto. Le leguminose quando c’è poco azoto stabiliscono simbiosi, quindi fanno una secrezione nel terreno di questi flavonoidi, che attira i simbionti, di solito batteri azoto fissatori, e fanno la simbiosi, oppure la stessa cosa fanno le piante con i funghi. Hanno scoperto che un flavonoide simile viene utilizzato nella parte aerea della pianta con una sostituzione, e funziona da deterrente alimentare; quindi, se gli erbivori mangiano queste foglie, le foglie hanno un cattivo sapore, sono astringenti, oppure sono parzialmente velenose; quindi, uno scheletro carbonioso, una struttura chimica con qualche sostituzione può diventare qualcosa che piace molto o qualcosa che è veramente orribile al sapore, o fa male, o fa venire mal di pancia. In ambiente non fertilizzato il 95% delle piante sono micronizzate, cioè stabiliscono simbiosi con funghi, perché i funghi allargano l’area di perlustrazione della pianta per ettari, e quindi riescono a prendere acqua, sali minerali, inoltre alcuni funghi con cui le piante stabiliscono simbiosi, funzionano anche da protettori, cioè sono fungicidi, nel senso che predano anche gli altri funghi, o producono sostanze che uccidono gli altri funghi, e quindi proteggono le piante, è una sorta di vera e propria protezione, ma quanto costa questa protezione alle piante? Costa il 50% del carbonio organicato, che non è proprio una cosa piacevole per la pianta, perché la pianta deve lavorare il doppio per fare questa cosa, o perlomeno crescere di meno, però se c’è la sopravvivenza in gioco, allora cede questo carbonio. Che succede alla pianta se improvvisamente c’è un’esondazione da un fiume e il terreno comincia ad essere fertile di nuovo? Cioè, c’è di nuovo azoto, ci stanno di nuovo i sali minerali, non ho più bisogno del fungo di cui sono in simbiosi, che fa allora la pianta per liberarsi del fungo? Le piante per liberarsi della simbiosi fanno morte cellulare controllata, cioè, uccidono delle parti della radice in cui è stata stabilita la simbiosi, per potersi liberare della simbiosi, poi nel caso servisse di nuovo, la ristabiliscono, ma nel frattempo mi libero della simbiosi che mi costa tantissimo. Questi meccanismi sono dei meccanismi seriamente importanti, cioè presuppongono un sistema di controllo della pianta che è molto sofisticato, non è così banale, e tra l'altro non è banale il fatto che noi dovremmo studiare le piante per una cosa importantissima, cioè che noi non saremmo qui se non ci fossero sistemi fotosintetici, perché inizialmente l'atmosfera terrestre all'inizio, quindi stiamo parlando di circa 4 miliardi a mezzo di anni fa, non era come ora, l’atmosfera iniziale aveva il 95% di anidride carbonica, adesso sta aumentando l’anidride carbonica, e siamo passati a 0,004 % circa, dal 95%, c’era azoto al 2,7%, mentre adesso siamo circa all’80%, e c’era idrogeno. Quindi praticamente questa era un’atmosfera riducente, riducente perché non c’è ossigeno, (altrimenti l’atmosfera era ossidata). Redox significa ossido-riduzione, ma a livello biochimico che significa? Ad esempio, la glicolisi che reazione è? Di ossidazione. Oppure ad esempio il ciclo di Calvin, che è il ciclo di carbossilazione degli zuccheri e produzione dei triosi, quindi la sintesi di zuccheri, la vera fotosintesi, quella che noi definiamo fotosintesi oscura, quella è una reazione di riduzione, che è una reazione quindi biosintetica. Quindi la prima cosa che possiamo dire è che noi associamo l’ossidazione alla degradazione e la riduzione alla biosintesi. Se l’atmosfera di circa 4 miliardi a mezzo di anni fa era un’atmosfera riducente, significa che poteva permettere la riduzione delle molecole, quindi la biosintesi o la biogenesi spontanea, significa che quest’atmosfera, soprattutto nelle acque, perché in quest’atmosfera qua c’erano gli urti che colpivano la terra, perché l’atmosfera era molto rarefatta, non c’erano strati attorno all’atmosfera, quindi la terra era bombardare da radiazione ultraviolette, non era possibile la vita sulle Terre emerse, la vita nel caso fosse stata possibile, era possibile soltanto nelle acque, e così fu, e da materia inorganica, si è generata, grazie all’atmosfera riducente, grazie alla presenza di fulmini, la biogenesi spontanea, cioè la nascita delle prime molecole. Ci sono un sacco di teorie; la teoria DNA tipica, la teoria RNA tipica, cioè, è nato prima il DNA, l’RNA o le proteine? Certamente a un certo punto si è dovuto sviluppare un acido nucleico che fosse in grado di dare la possibilità a queste iniziali molecole, che poi erano diventati organismi, di replicarsi, quello che è sicuro è che questi organismi erano anossigenici stretti, lì l’ossigeno non c’era proprio, quindi vivevano in assenza di ossigeno, e questi organismi erano eterotrofi, cioè quando si sono sviluppate le prime cellule di questi primi organismi, questi organismi per sopravvivere dovevano avere substrati presi dall'esterno da ossidare per ricavare, una cosa importantissima, potere riducente, per esempio sotto forma di NADH e ATP, perché NADH e ATP sono i due motori cellulari, non solo sono i due motori cellulari, ma riduzione con NADH o NADPH e ATP, quindi possibilità di fosforilare e defosforilare, sono anche i sistemi di controllo delle proteine, cioè come li possiamo controllare gli enzimi? Come li attiviamo/disattiviamo? Li possiamo attivare per fosforilazione o defosforilazione, li possiamo attivare per riduzione/ossidazione, quindi NADH e ATP non costituiscono solo il motore delle reazioni, ma costituiscono anche il sistema di regolazione delle reazioni. Quindi il sistema redox non è solo importante perché regola le reazioni di biosintesi e ossidazione, ma è importante perché regola le catene di trasporto: la prima catena di trasporto più importante è quella diciamo che simula la nostra catena di trasporto mitocondriale, e che era presente sulla membrana esterna di queste cellule primordiali batteriche, e che poi è diventata il nostro motore principale quando queste cellule batteriche sono state fagocitate dagli eucarioti, ma la catena di trasporto è presente anche nel sistema fotosintetico. Improvvisamente alcuni batteri hanno cominciato ad avere la possibilità di sfruttare l'energia solare come fonte di un sistema, che tramite eccitabilità energizzata una catena di trasporto al contrario, cioè anziché utilizzare materiale organica per ottenere NADH e ATP, si poteva utilizzare una catena di trasporto, per produrre NADH e ATP con la luce, senza la necessità di avere un sistema esterno da cui trarre energia. Queste cellule inizialmente vivevano in nicchie ristrette, probabilmente le prime sono proprio morte quasi subito, perché hanno avuto un problema subito dopo la loro nascita-> producevano ossigeno, che era un veleno, cioè l'ossigeno in un'atmosfera riducente è veleno per gli organismi, perché crea tutta una serie di problemi legati alla presenza di specie reattive dell'ossigeno, quindi disorganizzazione di membrane, enzimi che non funzionavano più, sistemi di trasporto che non funzionavano più. Poi improvvisamente una serie di tentativi della natura, una serie di casi, dovuti al fatto che questi organismi erano più performanti, cioè l’autotrofia è più performante, perché non ho bisogno di cibo dall'esterno o di materia organica dall'esterno per poter sopravvivere, posso sopravvivere con poche sostanze inorganiche presenti in grande concentrazione dall’ambiente esterno, e lì la CO2 ce ne era in grosse quantità, quindi l’autotrofia era capacità di energizzare la catena di trasporto formando ATP e potere riducente, e usare potere riducente e ATP per ridurre CO2 e fare zuccheri, che poi potevano utilizzare in una catena di trasporto tipo quella mitocondriale. Quindi praticamente l'autotrofia è una cosa eccezionale, e insieme all'autotrofia è cominciata una cosa incredibile, ovvero la produzione di ossigeno e la diminuzione di CO2. A un certo punto: circa 580 milioni di anni fa, quando la C02 diminuisce, e l'ossigeno arriva da 0 a quasi il 10%, si forma lo stato di ozono, 'ozono è strana come molecola, perché a livello di stratosfera (circa 40 km di distanza dalla superficie della terra), è benefico perché blocca i raggi ultravioletti, se arrivasse a livello di suolo, perlomeno nella troposfera, comincia a essere un veleno, tant'è vero che l’ozono troposferico è uno degli inquinanti più reattivi e più pericolosi anche per le piante stesse perché è un ossidante fortissimo. Quando comincia questa formazione dello strato di ozono, gli organismi ossigenici fotosintetici cominciano a prendere il sopravvento, e tutti gli organismi anaerobi vengono messi come in un angolo, ovvero in nicchie ristrette, cioè diventano la minoranza, cominciano ad avere una fitness talmente elevata, cioè una capacità di sopravvivenza talmente elevata, che prendono il sopravvento e diventano gli organismi che popolano maggiormente le acque, e poi a quel punto non solo le acque, perché possono cominciare a popolare le terre emerse, che non sono più bombardate dai raggi ultravioletti e nascono le prime piante, e poi c'è l'evoluzione degli organismi. Noi quindi, che siamo organismi ossigenici, non possiamo più vivere sempre senza le piante, perché sono le piante che non solo producono ossigeno, però fanno anche da buffer con il riscaldamento della troposfera, perché tengono bassa la concentrazione di C02, che nel momento in cui diciamo aumenta, crea un problema, un effetto barriera di rilascio del calore arrivato al suolo dal sole e lo riflettono al suolo, quindi il surriscaldamento deriva da un eccesso di CO2, troposferica, e le piante riescono a ridurre questo effetto, non è solo una questione di effetto ombra, se entriamo anche d’estate in un bosco, dove non c’è copertura, ci sono un paio di gradi in meno, perché c’è un microclima che si è formato a più bassa concentrazione di CO2 e a capacità maggiore della zona di rilasciare calore verso la parte alta della troposfera. -La maggior parte dell'energia chimica che noi utilizziamo deriva dalle piante, anche il petrolio deriva da organismi morti, quindi piante e animali morti, e gli animali morti si erano cibati di piante. -Una grande quantità di sostanze chimiche che noi utilizziamo deriva dalle piante, perché sono le piante che convertono sostanze inorganiche come la CO2, come l'azoto, come lo zolfo, perché le piante non sono solo autotrofe per il carbonio, ma sono autotrofe per l’azoto e per lo zolfo, in sostanze organiche; sostanze organiche che noi non possiamo sintetizzare, pensiamo ad esempio agli amminoacidi essenziali. Veramente le piante sintetizzano gli amminoacidi essenziali? Si, altrimenti dove li prendiamo se non li possiamo assumere con la dieta, con gli alimenti, arrivano direttamente dalle piante. Le piante sintetizzano tutti gli amminoacidi, e poi dopo noi li utilizziamo, ma poi sintetizzano pure i composti fondamentali, come la vitamina A, da cui noi traiamo il pigmento della visione per esempio, e non solo, ma la vitamina C è fondamentale. I marinai fino al 700-800 morivano in mare a causa dello scorbuto, i marinai inglesi ancora adesso si portano il lime, dei limoni, che nei paesi dove la temperatura non scende sotto i 15° non li fa diventare gialli, restano verdi, oppure i marinai genovesi si portavano il pesto, oppure si portavano le piantine di basilico, e le piante di basilico sono ricche di vitamina C, perché noi pensiamo che la vitamina C sta solo negli agrumi, nel kiwi, nel mango; ma la vitamina C è l'antiossidante fondamentale nei sistemi fotosintetici, quindi se noi mangiamo l'insalata fresca, questa è pienissima di vitamina C, perché i sistemi fotosintetici senza vitamina C non possono sopravvivere a causa delle ROS (specie reattive dell’ossigeno), quindi sono detossificanti forti delle ROS, e quindi aiutano a difendere il sistema fotosintetico, è quello che funziona di più e più velocemente, basti pensare che il sistema fotosintetico funziona 10 volte più velocemente del sistema respiratorio, e il sistema respiratorio e uno dei produttori principali di ROS, se qualcosa funziona male-> ROS, così come nel sistema fotosintetico, perché se c’è un elettrone che si muove e intorno c’è ossigeno, c’è sempre il rischio che l’ossigeno (che è quello che funziona meglio a catturare elettroni) diventi una specie reattiva. Allora come facciamo a difenderci? Serve un sistema antiossidante forte, e il sistema scorbato (vitamina C) -glutatione, è uno dei sistemi più efficienti di detossificazione di ROS, quindi funziona anche per noi, per la nostra catena di trasporto elettronica mitocondriale. Le donne, infatti, sono attratte da tutte quelle creme alla vitamina C, creme antiossidanti per avere una pelle giovane. Le piante, quindi, producono: gli amminoacidi essenziali, vitamina A, vitamina C, caffeina, morfina, cocaina. Noi abbiamo anche sostanze che possono essere di uso ludico oppure farmaceutico: tutte queste sostanze hanno origine dalle piante la maggior parte. I sistemi biologici sono quasi del tutto simili: nel senso che uno che estrae e che fa funzionare enzimi nelle piante, può far funzionare enzimi anche negli animali; quindi, non è che i metodi sono diversi, i metodi sono sempre uguali, perché il sistema è simile, perché tutti gli organismi arrivano da una serie di organismi ancestrali comuni. Il nostro primo organismo ancestrale comune, il last universal common ancestor è Luca, che è vissuto tra 3,5 e 3,8 miliardi di anni fa, e da questo si sono generati batteri, gli eubatteri, gli archeobatteri, funghi, gli animali e le piante; quindi studiare le piante in qualche modo implica studiare i sistemi biologici in generale, e questa cosa in realtà non l'aveva capita bene Mendel, perché Mendel studiando le piante di pisello odoroso, ha rivelato le leggi della ereditarietà dei caratteri: la segregazione bilanciata, in particolare l'assortimento indipendente, sono leggi comuni della genetica, e grazie a queste leggi della genetica studiate all'inizia Mendel, che all’inizio non era neanche stato preso particolarmente in considerazione, come tutti i grandi scienziati. Gli studi di Mendel, per esempio, hanno aiutato a comprendere l'ereditarietà delle malattie come dell'anemia falciforme, oppure come l'emofilia, è importantissimo l'albero genealogico della regina Vittoria che praticamente ha permesso di capire che questo carattere legato all’emofilia era un carattere legato al cromosoma X, si trasmetteva per via materna: se questi caratteri erano in omozigosi, cioè la malattia conclamata, altrimenti si era portatori, e i portatori erano tutte femmine. Norman Borlaug ha cambiato l’aspetto del mondo a partire dagli anni 40, cioè lo dovreste conoscere bene perché tutto quello che è successo dagli anni 40 ad oggi, quindi l'aumento della popolazione esponenziale, è stato merito e colpa sua. Questo signore ha utilizzato le leggi di Mendel per fare incroci controllati di varietà di grano e riso, e lui è riuscito in una decina d'anni a realizzare specie di grano e di riso che hanno portato all'autosufficienza alimentare: il Messico, l'India, il Pakistan, cioè paesi che avevano necessità di cibo, e che avevano un'autosufficienza che era il 20-30%, sono diventati autosufficienti, non avevano più bisogno di importare niente dall'estero. Adesso ci sono problemi causati dalla guerra tra Russia e Ucraina di blocco delle esportazioni e ripercussione sui paesi, non solo europei, ma soprattutto quelli del Nord Africa, che non hanno autosufficienza alimentare, e dipendono da altri per la produzione di cereali. Questo signore aveva risolto il problema, risolvendo il problema hanno creato un altro problema, perché le persone non morivano più di fame, e sono esplose dal punto di vista demografico con un impatto sulla terra enorme. Norman Borlaug è nato nel 1914 e morto nel 2009, era cresciuto in una piccola fattoria e poi si era laureato all'università del Minnesota in agraria, inizialmente lui aveva lavorato per una casa farmaceutica producendo fungicidi ed erbicidi, per due anni, dopodiché essendo una mente brillante, lo mandarono a lavorare in Messico nel centro più importante per la produzione di mais e cereali, e lo è ancora adesso, e lui in pochi anni ha creato delle nuove varietà più produttive che hanno determinato un forte incremento nelle produzioni agricole mondiali, disponibilità alimentare nel periodo dell'espansione postbellica, dopo la seconda guerra mondiale in Europa c'è stato il boom economico grazie a Norman Borlaug, perché la prima cosa importante è dopo una guerra che la gente abbia cibo, e lui ha portato una prosperità enorme, autosufficienza nei paesi poveri, e prosperità incredibile nei paesi ricchi, perché tutti hanno beneficiato e quindi praticamente nel 1970 per il fatto che lui aveva sfamato mezzo mondo, ha vinto il premio Nobel e poi nel 1986 lui ha fondato il Word Food Prize, riconoscimento diretto alle personalità impegnate nel mondo, contro la fame. Lui al CIMMYT (international maize and wheat imprevement center), quindi centro internazionale di miglioramento del mais e del grano, ha sviluppato una categoria di grano seminano, perché? Lui ha incrociato un sacco di varietà, quelle più importanti sono la Norin 10, che è una varietà giapponese di grano, la Brevor 14, una varietà americana, e poi con altre messicane che erano resistenti a caldo, stress, siccità, parassiti, e ha ottenuto alla fine una varietà che era resistente agli stress, che cresceva poco in altezza, ma produceva molto, e aveva due vantaggi questo di avere la pianta bassa, innanzitutto che non si investe molto nella parte vegetativa, perché se non si investe molto nella parte vegetativa, cioè nella parte verde, investo poco nei chicchi; se invece la pianta è piccola, io posso investire il resto nell’espansione, quindi per la disseminazione. Quindi queste piante avevano bisogno di meno spazio, e avevano la possibilità di crescere più basse, e produrre tantissimo, inoltre una pianta bassa risponde anche a un altro requisito, una pianta alta è prona all’allettamento, che cos’è l’allettamento? Cioè, se arriva il vento le abbatte, cioè se le spighe sono troppo pesanti, si affloscia, invece una pianta bassa, è più resistente, più salda, produce di più, non si allenta, non si spezza il culmo, e anche meno soggetta agli eventi atmosferici, soprattutto il vento. In realtà quando c’è molto vento c’è molta evapotraspirazione, se c’è molta evapotraspirazione (esempio d’estate quando sudiamo e non c’è vento), per le piante non è un bene, perché la forte evapotraspirazione fa chiudere gli stomi, e a stomi semichiusi o chiusi, soprattutto semichiusi, si abbassa la capacità di scambio gassoso tra l’interno della foglia e l’esterno della foglia; quindi, rallenta la capacità di carbossilazione; quindi, se ho meno CO2 carbossilo di meno, e se carbossilo di meno, consumo di meno i prodotti della fotosintesi in fase luminosa. Domanda: a che serve la fase luminosa della fotosintesi? A produrre ATP e potere riducente, che vengono utilizzati nella seconda fase per la carbossilazione, se però la carbossilazione rallenta e c’è molta luce, la produzione di ATP e potere riducente rallenta, però la luce eccita lo stesso i sistemi fotosintetici, e se io non ho accettori liberi, se non ho ADP e NADP+, quindi se non ho la roba ossidata, la catena di trasporto rallenta, se la catena di trasporto rallenta, chi è pronto intorno alle catene di trasporto a prendersi gli elettroni? L’ossigeno, quindi a stomi semichiusi si riverbera l’effetto sul sistema fotosintetico con produzione di ROS, se io ho poca acqua nel terreno si riverbera sul sistema fotosintetico con produzione di ROS, se c’è stress salino si formano le ROS, se c’è azoto troposferico si formano le ROS, cioè praticamente se c’è uno stress per la pianta si formano le ROS. Quindi lo stress secondario più importante di qualsiasi stress per le piante, uno è lo stress osmotico che fa chiudere gli stomi e un altro è lo stress ossidativo che genera ROS. E allora il vento non crea solo il problema dell’allettamento, ma fa anche chiudere gli stomi, si abbassa la produttività, per produrre antiossidanti la pianta spreca energia, la pianta cresce di meno, e allora una specie bassa che non si abbatte, che non si piega, che è resistente alle malattie, che è resistente agli stress, che fa meno ROS, è una specie che mette di più nella produzione di semi, e quindi è una specie che è più performante, quindi lui ha fatto tutte queste piante performanti, sia per la quantità di spighe nel grano, sia per quelle nel riso, e poi avevano un altro fatto che era importante, ovvero una pianta poco alto, che deve crescere, ci mette sicuramente meno tempo di una pianta che deve crescere 1 metro e mezzo. Lui ha selezionato piante di 1 metro, ma le piante possono arrivare anche a 1 metro e 20, 1 metro e mezzo, diciamo piante che sono più basse hanno un ciclo vegetativo più breve, io faccio tutto prima, e questo che importanza ha? L’importanza è che occupano metà dello spazio nel tempo, quindi lo spazio io lo posso rioccupare per fare una seconda produzione, quindi produce di più, è più veloce, raddoppio la produzione anche in termini temporali, ho accorciato il ciclo vegetativo, insomma queste specie erano assolutamente performanti, e lui ha fatto aumentare la produzione in Messico, che è passata da meno di 1000 kg per ettaro a 4.500 kg per ettaro dal 1950 al 1980, ma anche in India e Pakistan c’è stata una enorme produzione, quindi praticamente india, Pakistan, Egitto e altri paesi dell’Africa hanno triplicato(/quadruplicato la produzione, così come l’autosufficienza alimentata in Messico. Il Messico è stato autosufficiente, in particolare per il mais, fino al 2008/2009, quando è successo che gli Stati Uniti si sono comprati enormi partite di mais per fare il bioetanolo, e c’è stato un problema grosso di approvvigionamento della farina di mais, che è l’alimento principale, come noi abbiamo il pane o la pasta; quindi, quella è stata la prima volta in cui non sono stati più autosufficienti dal punto di vista alimentare, a partire intorno al 1960/70 grazie a Norman Borlaug. Quindi che cosa aveva prodotto Norman Borlaug? La rivoluzione verde si basa su tecniche di miglioramento genetico, e cioè: specie ad alta resa, rapida maturazione, fenotipo seminano (cioè, erano piuttosto basse), resistenza alle malattie (perché aveva incrociato con le specie messicane che erano più resistenti, si adattavano a stress idrico, a stress salino e anche alcalino, però le sue ricerche da chi erano pagate? Vengono sempre pagate da qualcuno che ci deve guadagnare, l’hanno sovvenzionato le multinazionali dei fertilizzanti dei semi, una delle più grandi casi farmaceutiche di agrofarmaci che esistono al mondo, e loro volevano che lui coltivasse il doppio/triplo. Quali furono le conseguenze? Le conseguenze furono: un’agricoltura ad alta resa, ma con elevato input di sostanze chimiche N-P-K + erbicidi e pesticidi, fitofarmaci, poi c’è stata la tecnologia dell’irrigazione e dell’uso delle macchine, qual è stato il problema? Sono acque piene di Sali, con l’irrigazione, quindi maggiore irrigazione e l’uso delle macchine. Quali sono i problemi dell’irrigazione e dell’uso delle macchine? Ad esempio, l’acqua di casa è piena di calcare, eppure è acqua potabile, ma spesso non viene utilizzata l’acqua potabile per le piante, ma viene utilizzata l’acqua che può essere di raccolta, o che viene da reflui dell’allevamento animale, e queste acque sono piene di sale. Quindi con l’irrigazione si ha salinizzazione, il 25% dei terreni a livello mondiale sono salinizzati, significa che tra poco non si possono usare più; inoltre se uso le macchine, compatto il terreno, se compatto il terreno poi devo usare una macchina più pesante per poterlo decompattare, poi ancora una macchina più pesante per doverlo decompattare, cioè ogni volta che arriva una macchina più pesante schiaccio di più, e questo schiacciamento del terreno gli fa perdere la tessitura al terreno, e che significa? Ciò significa che il terreno ha meno pori per l’aria e per la percolazione dell’acqua, e meno strutture che trattengono bene l’acqua, e meno organismi nella parte superficiale che sono saprofiti, ma in realtà sono coinvolti nel trattenere parte di materia organica e parte di materia inorganica. Quindi questa rivoluzione verde ha portato da un lato tante cose positive e dall’altro anche tante cose molte negative. Quali sono le conseguenze? In foto vediamo che siamo passati da una specie del 1910 di circa 1 metro e 20, siamo passati a una specie molto più bassa, e inoltre, a seconda dell’altezza della pianta, abbiamo un maggior numero di piante che arrivano alla spigatura, perché sono molto più resistenti. Se ho più piante, più basse e più resistenti, gli devo dare più fertilizzante, e quindi ho bisogno soprattutto di fertilizzante a base di azoto, potassio e fosforo, questi sono i normali fertilizzanti N-P-K. Quindi alta resa, maggiore apporto di nutrienti, maggiore biomassa, rapida maturazione (nel riso dalla semina alla raccolta in 125 giorni, contro i 210 previsti). Lui aveva ottenuto un semi-nano da 90 cm, contro i 120; è stato poi ottenuto quello bassissimo (ultimo in foto) nel 2010, man mano negli anni, quindi, hanno optato sempre per un’altezza minore e una produttività maggiore. -La produttività in Messico era sotto i 1000 kg per ettaro, poi con Norman Borlaug è arrivata a 4500 kg per ettaro; un contadino romano produceva 1000 kg di frumento per ettaro, in Italia nel 1920 si producevano sempre1000 kg di frumento per ettaro (soprattutto in Italia meridionale)-> noi ancora siamo bassi con la produzione, perché noi non possiamo irrigare sempre, ma possiamo irrigare poche volte o mai, e abbiamo necessità della pioggia per dare acqua alle piante, e questa cosa condiziona moltissimo la produzione; al nord Italia, in Emilia Romagna, prima dell’esondazione dei fiumi, questa regione aveva delle piogge interessanti nel momento giusto, che gli consentivano di avere una produzione anche doppia di quella dell’Italia meridionale, non sono perché avevano acqua per irrigare, ma perché avevano più fiumi e anche più pioggia, quindi più possibilità di avere una produzione. Già da 2 anni abbiamo il problema che i fiumi italiani sono andati in secca, la cosa peggiore è che il Po' è andato in secca di inverno, poi ci sono state le piogge catastrofiche, ma prima erano in secca di affluenti del Po', e l’Europa è stato definito hotspot climatico, significa che è un punto caldo del clima, perché nei prossimi 10 anni, non sarà solo la diminuzione delle piogge estive, ma diminuiranno le piogge invernali, che è un fatto gravissimo, e aumenterà la temperatura di circa 1 grado e mezzo. Uno degli obietti del green deal, del patto verde europeo, è quello di evitare che aumenti la temperatura di 1 grado e mezzo entro i prossimi anni, e quindi il fatto che noi siamo hotspot climatico è una cosa grave. Norman Borlaug ha fatto la green revolution, la rivoluzione verde, che è stata una delle cose più importanti che è successa al nostro pianeta negli anni 50 dopo la Seconda guerra mondiale. In Italia abbiamo un grande problema con la politica, che si è intromessa con l’agricoltura, che ha vietato l’uso degli organismi geneticamente modificati, la maggior parte degli animali, anche di produzione molto di valore, per esempio il prosciutto san Daniele, metà viene alimentato dal foraggio e metà ha la soia transgenica, quindi noi abbiamo un prodotto con un marchio che viene alimentato con prodotto transgenico, che non possiamo produrre in Italia, i nostri produttori non la possono fare. Ad esempio, un produttore del Veneto ha fatto ricorso alla corte europea, perché non può piantare ad esempio, mais BT nel suo campo, cioè mais con Bacillus thuringiensis che è resistente alla piralide; questo mais BT è utilizzato in tutta Europa e in tutto il mondo, ha nelle foglie l’espressione di una proteina del Bacillus thuringiensis, che, quando viene ingerita dalla piralide, gli crea una perforazione dell’intestino, e la piralide muore, non si riproduce più. Degli studi fatti in America hanno dimostrato che la presenza di campi BT e campi con agricoltura normale, convenzionale, non modificati di mais, favorisce la produzione perché, se c'è solo mais BT, la piralide diventa resistente, oppure ci sono altre specie che diventano predominanti che sono resistenti alla proteina BT, se invece ci sono dei campi in cui la piralide si può ancora riprodurre i campi BT, ma anche quelli normali funzionano meglio. In Italia questa cosa non si può fare. La cosa più strana è che le piante di mais normali, non quelle transgeniche, producevano più sostanze metaboliti pericolosi delle piante transgeniche, perché per le piante non c’è bisogno che io abbia un mutante o un OGM perché la pianta produce sostanze pericolose, ma le piante normali producono sostanze pericolose ogni volta che si trovano in pericolo, una pianta normale che ha sempre funzionato bene, in stress climatico, può funzionare producendo cose che possono diventare tossiche, l'esempio più banale di tutti, negli ultimi vent'anni si sta studiando moltissimo il fenomeno della presenza di acrilamide nel pane, l’acrilamide come si forma? Si forma a partire da asparagina, e l’asparagina è l’amminoacido cardine del trasporto dell’azoto dentro la pianta, perché ha due azoti e il più basso numero di carboni, quindi ha 4 carboni e 2 azoti, allora la pianta usa l’ammide (asparagina), in realtà anche la glutammina, questa però ha 5 carboni, quindi costa di più, usa l’asparagina per muoverla nella pianta, quindi se produce asparagina a livello delle radici, perché le radici sono radici che riducono il nitrato ad ammoniaca nella radice e la trasporta alla foglia, se invece lo produce nella radice lo trasporta alla foglia, quindi l’asparagina c’è sempre. Gli zuccheri glucosio e fruttosio ci sono sempre, sono gli zuccheri principali del metabolismo della pianta. Se praticamente c’è uno stress da alta temperatura o da carenza idrica, che ultimamente sono le cose più comuni che stanno succedendo da noi, le piante hanno una necessità, quella di difendersi. asparagina e zuccheri solubili sono i precursori dell’acrilamide quando poi questa farina o la semola vengono cotti a temperatura tra i 140 e i 170 °, e l’acrilamide è correlato al cancro, è potenzialmente carcinogena. Ma tutte le piante lo fanno, forse le transgeniche lo fanno meno. ----La pianta chiude parzialmente gli stomi quando c’è stress idrico, la pianta abbassa la carbossilazione, aumenta il problema di far funzionare la fotosintesi perché si accumula ATP e potere riducente che non vengono utilizzati, la pianta per poter funzionare a stomi chiusi innesca una cosa che si chiama fotorespirazione, cioè un processo che gli serve a consumare parte del carbonio organicato, ma anche a consumarle ATP e potere riducente, perché li deve riossidare il NADPH e deve usare l’ATP, in modo tale che la catena fotosintetica continua a funzionare senza interruzioni, senza formazione di specie reattive dell'ossigeno. La fotorespirazione libera ammoniaca: se c'è una forte fotorespirazione si libera molta ammoniaca, che crea problemi, perché l’ammoniaca è un disaccoppiante di membrane. Noi abbiamo un sistema di detossificazione dell'ammoniaca nelle cellule del fegato, perché l'ammoniaca si trasforma da ammoniaca a ione ammonio, NH4+-NH3, e in questo passaggio, quando passa tra due membrane, disaccoppia le membrane, le depolarizza, perché la membrana è carica negativamente all’interno e positivamente all’esterno, e allora che cosa può entrare all'interno? Solo ioni positivi, gli ioni negativi non possono entrare, infatti per esempio i protoni vengono estrusi con l'utilizzo di una pompa all'esterno della cellula e ricadono per gradiente elettrochimico, perché essendo l'interno negativo ricadono, se io però depolarizzo, la differenza di potenziale tra dentro e fuori diventa minore e le pompe non funzionano più; nel vacuolo la polarità è invertita: negativamente all’esterno nel citosol e positivamente nel vacuolo, e anche lì devono funzionare le pompe; se io ho l’ammoniaca che mi disaccoppia le membrane, non funzionano più tutti i trasporti, e allora che cosa fa il tessuto vegetale quando si trova in forte presenza di ammoniaca? Lo mette dove è più facile metterlo: l’asparagina. Quindi una pianta sotto stress idrico-salino fa un sacco di asparagina, e la porterà pure ai chicchi e poi fa un sacco di zuccheri, perché gli zuccheri sono anche osmoliti compatibili, cioè tendono a trattenere l'acqua e a bilanciare il citosol con il vacuolo (dal punto di vista del potenziale idrico), quindi le piante normali fanno tanta asparagina e tanti zuccheri solubili, che non è niente di tossico, però quando queste si accumulano nei chicchi ad elevate concentrazioni e il chicco viene usato per la cottura, questo fa acrilamide, la stessa cosa succede nelle patate. Le patatine bruciacchiate nere sono piene di acrilamide, quelle verdi c’è la solanina, quasi tossico; le patate vecchie hanno più zuccheri solubili e poi hanno l’asparagina a seconda del sistema di coltivazione, nel biologico c’è più asparagina che nel convenzionale, e zuccheri solubili quando le hanno conservate male, cioè alla luce che diventano tossiche, verdi, con la solanina, che non vanno cucinate, perché la solanina non è idrosolubile, e quindi resta lì. Le patate conservate male sono quelle un po' vecchie che abbiamo tenuto al buio perché si sono fatte un po' molli con la buccia rugosa, ma si possono mangiare perché con la bollitura e la cottura gli zuccheri solubili se ne vanno. Le patate nei frigoriferi al di sotto dei 7 °C, tra 4 e 7 °C degradano l'amido come un sistema di protezione dal freddo per produrre zuccheri solubili; quindi, le patate non vanno messe nel frigorifero a temperatura sotto i 7 °, non vanno tenute per molto tempo. Gli zuccheri solubili ad alta temperatura reagiscono con l’asparagina che c’è sempre, e provocano la formazione ad alta temperatura di acrilamide. Le piante coltivate sono quasi tutte geneticamente modificate da incroci, non c'è ne sta nessuno che è uguale all'inizio, ad esempio basta vedere come era il mais e come è ora il masi, prima aveva 10 chicchi magari, ora centinaia; oppure ad esempio la pianta del teosinte che investiva tutto in parte vegetativa, aveva lo stocco principale e tanti rami, ora invece ha lo stocco principale e le foglie, non ci sono rami laterali, questo significa che quella di prima investe tantissimo nella parte vegetativa, poco nella parte riproduttiva, mentre la seconda investe tanto nella parte riproduttiva, anche nella parta vegetativa (perché la pianta di mais è una pianta imponente, arriva anche a 2-3 metri), però non con un dispendio energetico così alto. Le piante producono 160.000 miliardi di kg di carboidrati ogni anno, cioè praticamente sono le piante che ci danno da mangiare, le principali sono i cereali, le patate, il riso, il grano e le patate. L’altra faccia della medaglia complicata è il clima: abbiamo avuto conseguenze grosse sul clima, dovute al fatto che, abbiamo prodotto tanto, ma abbiamo immesso nell’ambiente tonnellate di fertilizzate, pesticidi, erbicidi, biocidi, cioè abbiamo inquinato tantissimo, per cui la dieta mediterranea fa bene, ma dobbiamo andare a vedere se sono stati rispettati i limiti di sicurezza per gli inquinanti, i pesticidi, gli erbicidi, i nitrati che sono pericolosissimi in quantità grossa all’interno degli alimenti. (tutto quello che non passa per i grandi mercati, quindi per i centri di distribuzione non viene controllato, nei mercati generali si fanno dei controlli a campione random, anche senza preavviso-> continuamente devono monitorarlo-> più sicuro LIDL, CONAD, COOP). Un altro problema legato a fertilizzanti, pesticidi, erbicidi, è l’inquinamento: prima quasi tutti i reflui dell’agricoltura pieni di nitrato, potassio, fosfato, finivano per esempio nel Po', e c’era stato un grosso problema di inquinamento alla foce del Po' e nel mare Adriatico, in cui questa grande quantità di alghe aveva determinato eutrofizzazione, e quindi crescita enorme delle alghe, le alghe consumano a un certo punto tutto l'ossigeno, muoiono i pesci, poi muoiono pure le alghe, e si fa questo strato melmoso marrone che galleggia davanti alle coste, rendendo impossibile la balneazione; e poi c'erano stati prima serie di interventi per evitare che i reflui sia delle industrie che di scarichi domestici , ma anche dell'agricoltura, finissero nei fiumi, e quindi in mare. Altra conseguenza della grande disponibilità di cibo: nei paesi occidentali c’è poca disponibilità di cibo, e nei paesi del terzo mondo, quindi nei paesi in via di sviluppo o sottosviluppati, ma da noi abbiamo una grande quantità di bambini obesi (la Campania detiene il primato italiano di bambini obesi). La rivoluzione verde a partire dagli anni 50 a causa/per merito di Norman Borlaug ha fatto sì che la popolazione passasse da 2,5 miliardi a 8 miliardi e 63 milioni, il COVID ha fatto in modo che la popolazione decrescesse. Tutti dicono che arriveremo a 9 miliardi nel 2030 e che dobbiamo raddoppiare la produzione di cibo perché la popolazione aumenta e aumentano anche le esigenze; ma in realtà noi a 9 miliardi già ci siamo, perché centri di ricerca del medio oriente hanno denunciato l'esistenza di un miliardo di invisibili, chi sono questi miliardo di invisibili? Persone che non sono state censite, cioè la cui nascita non è stata registrata, di questo miliardo di invisibili ci sono 600 milioni di cinesi, perché nel periodo della Repubblica popolare cinese, fino a poco fa, i cinesi potevano avere massimo un figlio, e se nasceva un secondo figlio andavano in prigione, oppure molti li hanno ammazzati, soprattutto le femmine. 600 milioni di non censiti, c'erano pochi decessi registrati, e non sono andati manco a scuola non essendo censiti, e li tenevano nascosti in famiglia; a questi si aggiungono gli schiavi e le schiave del mondo: perché nei paesi arabi, nei paesi del Medio Oriente e anche in Sud America ancora esistono schiavi e schiave i cui figli nascono, restano schiavi e non sono censiti; più i bambini rapiti, più i bambini che fanno lavorare nelle miniere, più quelli che li fanno lavorare nelle grandi industrie di manufatturiera per la produzione di vestiti, scarpe ecc, quindi noi siamo più già a 9 miliardi. C’è un aumento esponenziale della popolazione, forse la popolazione già tocca i 9 miliardi, perché c’è già circa 1 miliardo di persone non censite al mondo, allora a questo punto bisogna fare qualcosa per aumentare la produzione, ma questo qualcosa deve essere compatibile con la sostenibilità ambientale, significa che io devo coltivare di più, ma devo usare meno fertilizzanti, meno acqua, meno pesticidi, meno erbicidi, meno terra, potrebbe sembrare strano: bisogna trovare un sistema per ottimizzare la produzione senza inquinare, senza usare più fertilizzanti, hanno provato a farlo negli ultimi 30 anni tramite la manipolazione genica delle piante: si è provato a modificare almeno la struttura di un allele o di un gene, o di una coppia genica, o di un tratto quantitativo, per poter esprimere piante che fossero più performanti, cioè che assorbono di più, che prendono più acqua, che prendono più acqua, azoto, potassio e fosforo, in presenza di meno acqua, potassio, azoto e fosforo. Si parla di efficiency, cioè di efficienza dell’uso dell’acqua, parliamo di maggiore efficienza dell’acqua perché effettivamente non tutta l’acqua che diamo alle piante per le coltivazione viene assorbita, ma gran parte viene persa, e fino al 60% di azoto che viene fornito con i fertilizzati viene perso, questo significa che io contadino compro il 60% di fertilizzanti in più e li perdo nell’ambiente, inquinando l’ambiente, rendendolo meno ospitale, rendendo i terreni meno fertili nel tempo, perché più irrigo e più li stalinizzo. Per riparare i terreni salini servirebbe una inondazione, una completa copertura di acqua, ma è difficile questa cosa in tutto il mondo, allora forse riuscire ad utilizzare tecniche di coltivazione che aumentano l’efficienza di utilizzo e anche tecniche di conservazione, e questo si fa nel post- raccolta, che aumentano la shelf-life del prodotto, cioè che invece di durare una settimana, dura 27 giorni, consente a questo prodotto di durare di più nel tempo, (ad esempio senza riempire i supermercati di frutta e verdura per poi buttarne la metà, quando poi in un’altra parte del mondo c’è gente che non può mangiare). Bisogna produrre di più o uguale, sprecare di meno e conservare meglio. Prodotto a conservazione lunga senza conservanti: ad esempio il piennolo del Vesuvio, ha il doppio marchio, produciamo un prodotto sul Vesuvio senza acqua, questo prodotto viene conservato al piennolo, cioè i piccioli vengono intrecciati per fare il famoso piennolo, questo senza conservanti dura fino a 9 mesi, senza frigorifero, allora se avessimo tutti i prodotti così noi avremmo risolto tutti i nostri problemi. Cosa dice la FAO, UNICEF, OMS a proposito della sicurezza di cibo nel mondo: gli obiettivi dello sviluppo sostenibili che tutti quanti hanno ritenuto realizzabile entro il 2030, in particolare quello di fame 0, naturalmente è abbastanza lontano, non sarà realizzato. (In Italia c’è la carenza di persone per la raccolta, soprattutto nel nord Italia, che quindi vengono chiamate dall’estero). L’inefficacia a procurarsi cibo e la diseguaglianza che cresce stanno spingendo gli obiettivi al di fuori del secondo target del programma di sviluppo sostenibile. Nuove evidenze mostrano che l’acquisto di cibo in molti paesi non è solo alto per quelli che vivono in città, ma anche nelle zone rurali; quindi, i prezzi stanno aumentando sia in città che in campagna, tutto aumenta perché aumenta il prezzo dei materiali di base, perché non vengono più esportati a basso costo da Russia e Ucraina. Il consumo di cibi altamente processati è aumentato anche nelle zone urbane e rurali, quali pizze congelate, cibi precotti ecc; questi cambiamenti stanno creando problemi alle persone, alla sicurezza del cibo e alla nutrizione in modi differenti che dipendono dal costo dove vivono, sarebbe anche necessario assicurare l’accesso a diete sicure per tutti. Dal 2016 invece di diminuire il numero di persone che vivono in condizioni di sicurezza alimentare, sono aumentate da 83 milioni a 253 milioni, in sicurezza alimentare significa che non sempre hanno accesso a cibo tutti i giorni o a cibo nutriente tutti i giorni, che non è la stessa cosa, perché se io mangio tutti i giorni patate, io sto mangiando tutti i giorni, ma non è nutriente, perché mi manca tutta la parte delle vitamine per esempio, che può creare scompensi alimentari, ad esempio lo scorbuto. Le 10 maggiori crisi alimentari coinvolgono 163 milioni di persone e coinvolgono numerosi paesi coinvolti da guerre, terremoti, inondazioni, eruzioni vulcaniche. Nei 58 paesi con crisi alimentari, oltre 35 milioni di bambini al di sotto dei 5 anni, bimbi che sono in pieno sviluppo, soffrono di deperimento, inoltre se c’è carenza di cibo le femmine soffrono di più, perché soprattutto nei paesi più poveri e in America latina se c’è cibo lo danno ai maschi e non alle femmine, per cui sono quelle che soffrono maggiormente di anemia e di carenza di vitamina D (perché sono sempre coperte e non vedono mai la luce). Quasi 6 milioni di bambini sotto i 5 anni soffrono la fame (rapporto al 2019), oltre 2 milioni di bambini muoiono per malnutrizione, uno ogni 15 secondi. 45 milioni di bambini di età inferiore ai 5 anni hanno sofferto/soffrono di deperimento o di fame, e questo aumenta la morte infantile fino a 12 volte, comportando un ritardo della crescita o dello sviluppo contro i 120 milioni di bambini adolescenti sovrappeso. Negli Stati Uniti d’America stanno bambini sovrappeso che soffrono di malnutrizione perché mangiano, ma mangiano tutto completamente sbagliato, soprattutto niente cibi freschi, neanche il latte, perché è addizionato a coloranti, sostanze che servono ad insaporire a dare gusto (non sono proprio abituati più a mangiare cose fresche, per cui non ne mangiano). Soprattutto in paesi dove i livelli di colesterolemia e glicemia sono altissimi, l'età media maschile è arrivata a 36 anni, la maggior parte dei giovani sui 30 anni muoiono o hanno problemi anche di paralisi a causa di infarti e ictus per sovrappeso, iperalimentazione, soprattutto per un'enorme quantità di colesterolo cattivo che riescono ad accumulare per l’alimentazione completamente sbagliata. I bambini degli Stati Uniti hanno carenza di vitamina A che si trova nel fegato animale, nell'olio di fegato di merluzzo, nelle uova, nei latticini, ma soprattutto frutti e ortaggi giallo/arancioni e alcuni ortaggi a foglia verde, perché tutti gli ortaggi a foglia verde noi abbiamo clorofilla, se abbiamo un sistema fotosintetico che sta funzionando, noi abbiamo necessità di carotenoidi, che non sono solo pigmenti accessori, ma sono una parte importante del sistema antiossidante di fotosistema uno e fotosistema due, cioè fotosistema uno e fotosistema due quando producono specie reattive dell'ossigeno vengono detossificati immediatamente dai carotenoidi e tra questi carotenoidi il beta-carotene che tramite un processo di ossigenazione, quindi di ossidazione, si rompe, forma prima in retinale e poi il retinolo. Carenza di vitamina A: la carenza di vitamina A può causare cecità notturna, riduce la resistenza del corpo alle malattie e può anche causare il ritardo della crescita. Si stima che 250 milioni di bambini in età prescolare sono carenti di vitamina A; inoltre, dai 250.000 ai 500.000 bambini con carenza di vitamina A diventano ciechi ogni anno, metà dei quali muoiono nei primi 12 mesi dopo la perdita della vista. Più di due miliardi di persone soffrono di anemia cronica (la maggior parte delle donne, a causa del ciclo, soffrono di anemia da carenza di ferro). Nei paesi in via di sviluppo ogni secondo una donna incinta e circa il 40% dei bambini in età prescolare sono anemici. In molti paesi in via di sviluppo l’anemia da carenza di ferro è aggravata da infezioni di vermi quali la malaria e altre infezioni o malattie come la HIV e la tubercolosi. Le maggiori conseguenze sulla salute includono la difficoltà a portare a termine la gravidanza, sviluppo fisico-cognitivo alterato, aumento del rischio della morbidità nei bambini, aumento delle malattie che causano la mortalità, e produttività limitata negli adulti, la maggior parte delle difficoltà fisiche che si riscontrano tra le persone hanno un'origine chimica, quindi prima di guardare alla depressione, molto più difficile da curare, è molto più semplice andare a vedere se c'è una carenza nutrizionale, uno scompenso nutrizionale, è molto più semplice perché una volta che si addiziona, o si dà il l'alimento, il metabolita che manca, si potrebbero avere risultati molto buoni. L’anemia corrisponde al 20% delle morti materne, cioè delle persone che partoriscono e poi muoiono. Noi siamo un paese prono alla siccità, un sacco di paesi hanno problemi grossi, come America, Messico, Cile, il Nord Africa e in parte l'Africa centrale, l'Asia, la penisola araba, india e zona asiatica e parte dell’Australia, dove è stranissimo, perché da un lato c'è la siccità, e dall’altro lato c’è la salinità: di solito salinità e siccità dovrebbero essere concomitanti, perché in un suolo dove c’è poca acqua c’era un evapotraspirazione molto elevata e c’era una risalita dai sali dalla parte profonda verso la superficie, per cui si salinizza in modo secondario per carenza d'acqua, invece una cosa strana che succede in una zona dell’Australia e che praticamente i forti venti che vengono dall'oceano e come se vaporizzassero l'acqua di mare per cui arriva l'acqua di mare vaporizzata molto all'interno, l'acqua di mare vaporizzata è ricchissima di cloruro di sodio, quindi hanno una stranissima salinizzazione secondaria in una zona che in realtà non è neanche tanto povera di acqua. Previsione al 2050 delle temperature medie nelle terre coltivate: in alcune zone potrebbe esserci un aumento della temperatura media di 5 °. Come aumenta la temperatura? Se aumenta la CO2 troposferica l'emissione infrarossa che sale dal terreno, dopo essere stato colpito dalle piante, viene riemessa, se però viene rimessa e trova gas come la CO2, oppure anche l’ozono a concentrazioni superiori, vengono di nuovo messi al suolo aumentando la temperatura della terra. Quindi qual è l'obiettivo fondamentale? Non aumentare di più di 1° e mezzo entro il 2030, quindi stare dentro 1° e mezzo. L'Europa, il Mediterraneo in generale, è hotspot climatico, significa che pioverà di meno d’estate, ma pioverà di meno anche d’inverno, e se piove di meno d'inverno le temperature si alzano e d'estate avremo meno acqua, meno ghiacciai che si devono sciogliere, meno riserve di acqua. Nelle regioni calde per ogni aumento di 1 ° si ha la diminuzione di 3-5% del raccolto, che quindi al posto di aumentare il raccolto lo stiamo diminuendo. Hanno provato ad alterare l'unico gene oppure tratti genici: aumento la resistenza alla siccità, lo posso fare per qualche specie, soprattutto per le specie modello, però farlo per le specie coltivate comincia a essere un problema più grosso, perché tutti quanti negli ultimi 30 anni hanno utilizzato arabidopsis come specie modello per la trasformazione, perché arabidopsis è la cavia, come il topo da laboratorio per quelli che fanno esperimenti sugli animali. Cosa fa questa pianta di arabidopsis? È una pianta infestante che troviamo dappertutto, e ha un patrimonio genetico piccolo: 5 cromosomi, cioè 5 coppie, ha una progenie vasta (fanno un sacco di figli molto velocemente, e infatti riesce a fare ogni piantina più di 1000 semi), ha una dimensione piccola (quindi ne posso coltivare tantissimi anche dentro dei vasetti o dentro una cella climatica), ha un ciclo riproduttivo breve: 7 settimane massimo io ho avuto i semi, e allora quindi tutti quanti hanno usato questa pianta, e hanno fatto anche molte mutazioni. Quindi io posso avere piante che sono resistenti, generare queste piante, è difficile quello che si chiama traduzione in campo, si parla di translation in field, traduzione in campo, ma non le posso portare in campo, perché poi in campo realmente non funzionano. Il trasferimento in campo delle modifiche genetiche comincia a essere complicato, per questo oggi si prova ad utilizzare tecniche agronomiche che consentano di fare in modo di avere di più, per fare questa cosa le tecniche agronomiche si devono accompagnare a una conoscenza più approfondita dei meccanismi di funzionamento delle piante, perché le piante hanno una cosa che si chiama plasticità genetica, significa che il genoma, a causa di modifiche epigenetiche, quindi di traduzione di una sequenza leggermente modificata, in caso di alcuni stress la pianta può sviluppare meccanismi di resistenza che inizialmente non si prevedevano conoscendo quel genoma e quell’espressione, e allora si deve trovare un sistema per accelerare questa plasticità genetica delle piante e fare in modo che rispondano meglio agli stress ambientali. Ad esempio, sono stati prodotti dei mutanti, e inseriti, facendo si che la pianta abbia delle radici più lunghe. Cosa fa una pianta con le radici più lunghe? Una pianta con le radici più lunghe esplora parti di suolo più profonde e quindi in un certo modo riesce a evitare lo stress da carenza d'acqua e carenza di nutrienti. D’altra parte, quello che fanno le piante quando stabiliscono le simbiosi con i funghi è proprio quella di allargare lo spazio. Qui vediamo uno strano incrocio tra piante annuali e biennali, questa pianta resisterà tantissimo alla siccità, ma questa pianta per sviluppare questa bella radice consuma quasi tutta l'energia a scheletri carboniosi che ha prodotto per metterla in tessuto delle radici piuttosto che diciamo in resa; anche se è probabile che se noi riuscissimo a costruire delle piante di cereali perenni queste non morirebbero ogni anno, l'apparato radicale già c'è e negli anni successivi è probabile che riescano a produrre di più. Molto fanno anche le ricerche che servono a produrre piante più resistente alle malattie. Una delle malattie complicate per l'umanità è stata Phytophthora infestans, cioè la peronospora, la peronospora è provocata in realtà non da un fungo ma da un oomicete (gli oomiceti erano stati classificati inizialmente come funghi, ma la parete cellulare non è formata da chitina ma ha una struttura a base di cellulosa, inoltre i nuclei nelle ife sono diploidi e non aploidi) In realtà questa peronospora ha cambiato molte cose, tra le quali pure gli assetti politici d’Europa, sono concomitanti a fenomeni politici che hanno sconvolto l'Europa: all'inizio la prima ondata di peronospora in Irlanda con le prime migrazioni della popolazione irlandese si sono avute nel 1816, una seconda ondata tra il 1845 e il 1849, questa peronospora ha causato in Irlanda 1 milione di morti, perché praticamente la patata era il cibo alla base dell'alimentazione irlandese, la staple crop irlandese, e ha provocato la migrazione della comunità irlandese: 2 milioni di migranti solo tra il 1845 e il 1849 dall’Irlanda agli Stati Uniti perlopiù. La produzione di patate era stata fondamentale in Europa, innanzitutto era stata portata dalle Americhe ma inizialmente si pensava che delle patate si dovessero mangiare le foglie, ma le foglie piene di solanina facevano male; quindi, a un certo punto quando si è capito che il tubero della patata era positivo, Federico il Grande in Germania, in Prussia, sollecitava i contadini all’utilizzo delle patate per la produzione dei tuberi. La popolazione olandese, soprattutto quella più povera, mangiava solo patate, e questo gli provocava squilibri nutrizionali, tant’è vero che avevano delle malattie derivanti proprio da malnutrizione, proprio per carenza vitaminica. La peronospora nel 1816 colpì fortemente l’Irlanda, perché? Perché il 1816 fu un anno strano, lo chiamarono l'anno senza estate, e poi seguirono degli anni molto piovosi come quelli tra il 1845 1847, ma che è successo nel 1815 che aveva causato nel 1816 l'anno senza estate in Europa? In Indonesia scoppia il vulcano tambora che erutta per 3 mesi di seguito, questa eruzione di 3 mesi provoca l'anno successivo una coltre di pulviscolo sopra l'Europa che ha schermato i raggi solari; a questo punto c'è stato sia un raffreddamento che forti piogge, e peronospora che sta benissimo negli ambienti umidi, ha proliferato in Irlanda. In Europa In Germania in particolare non sia riuscita a produrre avena, e hanno dovuto abbattere tutti i cavalli, e quindi non avevano più il mezzo di traino per le carrozze, e un barone ha inventano la draisina, il precursore della bicicletta, per spostarsi. Se non c’è foraggio bisogna abbattere gli animali, altrimenti si hanno perdite più consistenti del tenersele facendoli molto dimagrire. Il vulcano che è esploso in Indonesia ha fatto cambiare destino politico, in particolare la storia degli irlandesi in Irlanda, e quindi significa che, se anche raggiungiamo la neutralità climatica in Europa non significa niente, perché l'Europa non ha uno schermo rispetto all’atmosfera degli altri paesi, e quindi si deve guardare a una neutralità climatica globale. Per quanto riguarda invece il 1845, la peronospora ha distrutto 1/3 del raccolto del ‘45 e l'intero raccolto del 1846, in Italia ci sono stati 1 milione di morti e 2 milioni di migranti per la grande carestia irlandese. Sono stati identificati geni di resistenza per la peronospora, se anche ci fossero noi qua in Italia non li possiamo utilizzare se le piante sono geneticamente modificate. Modificando un gene si può ottenere una pianta resistente a peronospora. C'è una lotta continua per trovare un sistema per difendere le piante. Nel 1999 hanno trovato in Africa un nuovo ceppo di un fungo che si chiama Puccinia graminis, varietà Uganda 99, che veniva dal nome dove l'avevano trovata, piante in Uganda non avevano resistenza contro questo ceppo UG-99. La cosa più pericolosa di questo UG-99 che poco dopo è stato ritrovato a partire dall’Uganda nei paesi arabi quasi pure fino in India, perché le spore venivano trasportate dal vento, e quindi seguivano le correnti di vento. Il grano di questi stessi paesi è la principale fonte alimentare, quindi della staple crop di questi paesi e la cosa interessante è che c'è stata una task force a partire dal 1999 che si è riunita, e hanno fatto analisi geniche di 200.000 varietà di grano e hanno trovato che il 5-10% delle varietà analizzate avevano resistenza a questa UG-99, e quindi hanno continuato a studiare per capire se c'era la possibilità di combattere questa malattia, ma in realtà questa ruggine del grano, puccinia graminis è stata trovata anche in Italia intorno al 2019, non compariva in Europa dal 1950 e invece è stata ritrovata. In particolare, contro la ruggine del grano in generale esistono 4 famiglie di fungicidi che funzionano però la ricerca deve sempre continuare perché le malattie evolvono, e quindi come si evolve fungicida, si evolve pure il fungo. Puccinia graminis colpisce il culmo del grano, sviluppando delle pustole allungate di 2-3 cm che si chiamano uredosoli, che sviluppano le uredospore che vengono diffuse dal vento e quindi continuano a contaminare, c’è anche una forma di uredospora più resistente che dura anche durante l’inverno e quindi rimane sui terreni e può contaminare le piante anche d'inverno. C'è un altro aspetto dello studio delle piante che è quello di produrre piante più nutrienti perché una parte del problema non è la assenza di cibo ma è la malnutrizione. Se noi riusciamo ad arricchire le piante con vitamine o metaboliti che aiutano a vivere meglio, quindi sostanze non solo nutritivi, ma nutraceutiche, cioè che servono a preservare il benessere dell’organismo, allora noi abbiamo risolto i nostri problemi. La maggiore coincidenza di fame e malattie nella malnutrizione si riscontra anche con problemi derivanti dalla carenza di vitamina A e problemi da carenza di ferro, anche se la carenza di ferro la troviamo in tutta l'Asia, la troviamo anche in Nord America, un po' dappertutto perché è un problema del metabolismo nell'acquisizione di ferro. La biofortificazione è un aumento del valore nutrizionale delle piante, che quindi possono sopperire a queste carenze alimentari, se noi riuscissimo a mettere queste vitamine, il ferro, nelle staple crops, avremmo risolto i nostri problemi, se noi riuscissimo a mettere anche i vaccini, in questo modo, è tutto fornito con l’alimentazione di base. Quindi in molti paesi in via di sviluppo hanno provato ad aggiungere una maggiore, o fare in modo che venisse sintetizzata una maggiore quantità di queste sostanze; hanno fatto riso arricchito di vitamina A, il golden rice è un riso famosissimo arricchito di vitamina A, così come nuove varietà di riso arricchite di ferro nei nostri supermercati più recentemente ci sono dei pomodori viola, che hanno un sapore più tenue, ma che sono maggiormente arricchiti di polifenoli. I pomodori sintetizzano antiossidanti, a prescindere, l’antiossidante più importante del pomodoro è il licopene. Uno studio fatto su 7 varietà del piennolo a diversa concentrazione di licopene, tra cui alla fine anche il pomodorino giallo. Studiando il pomodorino giallo si è visto che questo ha meno licopene, però in realtà ha moltissimi più antiossidanti, ha anche metaboliti ad azione antiossidante o amminoacidi ad azione antiossidante, per esempio anche i creali, sintetizzano, quando sono in condizione di stress, alcuni amminoacidi ad azione antiossidante come la prolina o il gabba, l’acido amino gamma butirrico, sintetizzato a partire dal glutammato, che hanno un azione antiossidante fortissima, sia di osmolita compatibile sia ad azione antiossidante. Le piante però ci forniscono un sacco di cose non soltanto gli alimenti ma i farmaci terapeutici, le fibre, i prodotti biorinnovabili, e sono fonti in generale di energia biorinnovabili, infatti le piante producono moltissime sostanze, anzi la maggior parte delle sostanze ad uso farmaceutico sono state prima rinvenute nelle piante e poi sintetizzate chimicamente, come per esempio l'acido acetilsalicilico, che in realtà si ottiene per acetilazione dell'acido salicilico che viene prodotto dalle piante, questa è una cosa strana perché diciamo inizialmente l'acido salicilico poteva essere utilizzato come drogante per l'industria, drogante significa che può essere utilizzato per addizionarlo a miscele di composti e cambiarne la conducibilità elettrica per esempio, oppure la capacità chimica di una sostanza come aggregato, quindi viene aggiunta per altri scopi, non per la sua azione stessa, ma perché coadiuva una serie di proprietà delle altre sostanze. Nell'industria che produceva questo acido acetilsalicilico si accorsero che le persone di questo villaggio dove c'era questa fabbrica si ammalavano meno spesso degli altri loro parenti stessi, quindi nella famiglia, soprattutto avevano meno febbre, e quindi si è trovata questa capacità dell'acido acetilsalicilico di abbassare la temperatura e quindi combattere l'infiammazione. La cosa più strana è che nelle piante l'acido salicilico invece è come se facesse salire la febbre alle piante, in realtà si è scoperto che l'acido salicilico blocca l'azione della catalasi a livello cellulare, e la catalasi è uno degli enzimi di maggior controllo delle ROS a livello cellulare, e quindi attiva maggiormente l'azione delle ROS, sembra una cosa strana, cioè per quale motivo un meccanismo cellulare che funziona dovrebbe aumentare le ROS anziché diminuirle? Di solito noi sappiamo che i sistemi cellulari cercano di abbassare la concentrazione di specie reattive dell'ossigeno, (se uno non vuole più la simbiosi si ha morte cellulare programmata, oppure se c’è un attacco da patogeni, nelle cellule attaccate si fa morte cellulare programmata), l’acido salicilico in realtà insieme alle ROS fa una cosa che si chiama burst ossidativo, scoppio ossidativo, ed è il precursore anche dell'aumento di temperatura, perché quando aumentano le ROS e c'è questo acido salicilico si ha attivazione di un ossidasi alternativa a livello mitocondriale che non fa fare tutto il trasporto della catena nei quattro complessi principali, si interrompe al primo complesso e poi ossidasi alternativa e quindi questa cosa dissipa gradiente, e quando c'è dissipazione di gradiente protonico c'è un aumento di temperatura. Quindi l'effetto del burst ossidativo è: scoppio di ROS e aumento di temperatura, il patogeno o la cellula muore, dopodiché arriva la sigillatura, cioè sintesi di lignina che serve a sigillare questi tessuti o cellule morti.  Nelle patate ci sono dei nodini neri che sembrano corteccia, anche dei patogeni piccoli, dei vermetti, qualsiasi patogeno o corpo estraneo entra nel tubero, riesce ad entrare nel tubero, questo viene isolato, ucciso tramite il meccanismo del burst ossidativo e sigillato con sintesi di parete secondaria, quindi con lignina, viene quindi ucciso e sigillato e resta lì, non può più uscire e non può più nuocere. La digitale serve ancora oggi per i trattamenti dei problemi cardiaci, in realtà veniva utilizzata insieme ad altri tipi di estratti simili per allargare la pupilla, insieme alla belladonna. (le prostitute utilizzavano la tropina o la digitale per ingrandirsi la pupilla e per essere più affascinanti). Ma le piante producono anche caffè, tè e altri stimolanti. In toscana è stato consentito l’uso della canapa a scopo farmaceutico, perché per moltissime malattie degenerative, soprattutto in quelle muscolari e del sistema nervoso, l’uso di canapa consente di superare dei momenti di forte stress e di dolore che i farmaci a un certo punto non riescono più a fare, ed è molto meno invasiva e fa molto meno male dei farmaci, per cui la toscana aveva approvato la coltivazione per uso farmaceutico. Regioni a più alto rischio di malaria nel mondo: sono le zone dell’africa (l’africa centrale è una zona umida), in africa centro-meridionale, ma anche la foresta amazzonica, le zona dell’india, e anche nelle filippine e Indonesia. Il vettore più pericoloso per la malaria, e soprattutto per il Plasmodium malariae è la zanzara Anopheles femmina, che è presente in queste zone, in particolare è presente in africa. (Il Plasmodium è un protozoo). Dei 229 milioni di casi riportati nel 2019, la quasi totalità è causata da Plasmodium falciparum (93%); il 94% dei casi (215 milioni) e il 95% dei decessi si è verificato in Africa. Il plasmodio determina una forma di malaria chiamata febbre di quartana, perché ogni 4 giorni c’è la febbre a causa dello sviluppo del plasmodio, del parassita, che avviene ogni 72 ore, un nuovo ciclo eritrocitario del parassita. Il plasmodio attacca pochi globuli rossi per volta, perché se li attaccasse tutti insieme l’ospite morirebbe; invece, mantenendo quest’ospite con un basso numero di eritrociti malfunzionanti o distrutti, continua a tenerlo in vita e a sfruttarlo per sempre. Quando ci sono molte persone che viaggiano nel mondo, questi tornano a casa, sono affetti da malaria, e per non avere problemi a lavoro si procurano la medicina per curarsi, ma in realtà continuano a essere malati e ad essere eventualmente fonte per il vettore della malattia, e in Italia ce ne sono molti. La corteccia di china, che contiene chinino, viene utilizzato moltissimo per la profilassi antimalarica, tant’è vero che, ai soldati inglesi che erano presenti nei luoghi a maggiore probabilità e rischio malarico, davano ogni giorno il chinino, perché il chinino rendeva anche i soggetti parzialmente immuni dalla malaria. Per mascherare il sapore amaro e soprattutto per invogliare i soldati a prenderselo, davano zucchero, l’acqua gassata e gin insieme al chinino. Problema: ultimamente il plasmodio ha sviluppato resistenza al chinino, per cui si sono andate a cercare sostanze che fossero ancora efficaci, e tra le sostanze efficaci c’è l’artemisina, che è stata usata dagli erboristi cinesi già da migliaia d’anni. Nel 1972 è stato isolato l’ingrediente attivo, è stato purificato, e nel 2010 pubblicato su Science (scienze e nature sono le riviste più importanti per quanto riguarda la diffusione delle informazioni scientifiche di tipo biologico-chimico, una diffusione alla gran parte della popolazione, perché tutti possono leggerlo). Hanno pubblicato la mappa genetica dell’artemisia, cioè l’hanno completamente mappata e hanno identificato i loci per la produzione di artemisina, questo che cosa significa? Se identifico i loci genici per la produzione di una sostanza io posso alterare questi loci genici, oppure posso inserire in un’altra pianta il DNA, quindi il gene, in modo tale che questo venga trascritto e tradotto, in modo molto più veloce, da un altro sistema. È possibile ingegnerizzare tratti genici nei cloroplasti, oltre che nei batteri tipo Escherichia Coli, e far produrre a Escherichia Coli o far produrre a un cloroplasto proteine finite con lo stesso folding della proteina originale, quindi io posso produrre per esempio insulina con un folding corretto in Escherichia Coli, in altri batteri, ma anche in piante come ad esempio il tabacco, che ha una grande capacità di crescita, quindi io posso produrre piante di tabacco che producono insulina o posso produrre piante di tabacco che producono la piretrina, o altre piante, queste sono le più semplici da trasformare; oppure cloroplasti isolati che producono sostanze, dopodiché per centrifugazione differenziale mi vado a prendere solo il cloroplasto, e dal cloroplasto mi vado a prendere la proteina di interesse, quindi queste sono delle biofattorie per la produzione di sostanze di interesse. Alcuni avevano concentrato i loro studi sulla biosintesi all’interno delle piante di vaccini proprio grazie al fatto che si può ingegnerizzare per esempio un cloroplasto e renderlo capace di sintetizzare una molecola di interesse. Qual è il problema? Che la maggior parte delle staple crops che arrivano alle persone, le patate, i cereali, vanno cotti, e la maggior parte dei vaccini invece sono termolabili, quindi dovremmo mettere questo vaccino in una pianta che si mangia, ad esempio in una banana, ma non è semplice, perché c’è stata una tropicalizzazione dell’ambiente, cioè si è alzata la temperatura media, però contemporaneamente ci deve essere umidità, quindi non si possono trasportare queste banane per esempio in africa o nei deserti, perché le banane le posso trasportare e portare dove voglio ma le devo conservare a temperatura controllata tra i 10-12 e 15° in ambiente controllato, servono camere di degassificazione, decarbonicazione, è troppo sofisticato in paesi molto poveri (dovrebbe essere qualcosa coltivabile lì nei paesi poveri). Le pareti cellulari delle piante sono responsabili della formazione di parete primaria con la cellulosa e parete secondaria, per esempio, con la lignina o anche con delle modifiche secondarie della parete cellulare secondaria. Che cos’è la diversa colorazione e struttura del legno se non una modifica secondaria della parete secondaria, e allora noi utilizziamo per tantissime cose queste strutture delle piante, anche per la produzione della carta. Ultimamente i ricercatori hanno provato a creare tessuto vegetale, quindi le fibre, modificando geneticamente il cotone per dare maggiore resistenza ai parassiti e per produrre fibre migliori e maggiormente lavorabili. C’è un problema grossa nella produzione della carta: quello che si ottiene dalla polpa del legno si deve sbiancare chimicamente e si deve allontanare la lignina, tenendosi solo la cellulosa, se si riescono a produrre piante con meno lignina e più cellulosa allora il processo di produzione diventa più semplice, ed è quello che hanno fatto ad esempio in Svezia per la produzione della carta; quindi, piante geneticamente modificate che avevano una quantità di lignina limitata. La lignina è una delle sostanze più abbondanti sulla terra, perché viene sintetizzata ma non si riesce a degradare. Ci sono moltissime persone che studiano la possibilità di utilizzare la lignina per fare più energia, il problema è che la lignina viene prodotta come polimero di sostanze secondarie, che quando polimerizza, non si riesce più a staccare, quindi se noi riuscissimo a staccare questo polimero complesso che si è formato, avremo un sacco di scheletri carboniosi da utilizzare per esempio per le bioenergie, invece l’unica cosa che si è riuscita a capire è che se si riscalda ad altissima temperatura viene fuori una sostanza collosa, si può generare una sorta di colla. In alcuni processi di produzione di manufatti in legno con il laser, il taglio al laser del legno riscalda la parte tagliata, e se uno attacca subito i due pezzi di legno, la lignina sciolta funge da sigillante naturale, però resta tutta la lignina presente come sostanza organica inutilizzabile che potrebbe essere utilizzata a fini energetici, perché continuamente viene prodotta. Le piante possono sostituire il petrolio? Al momento ancora no, è un po' costosa come cosa, il petrolio non è una risorsa rinnovabile ma è comunque una risorsa più a basso costo rispetto alla trasformazione del materiale organico, ci vogliono poi milioni di anni per trasformarlo in petrolio, possiamo utilizzare materiale organico, per esempio, per le biofermentazioni per fare bioetanolo o biodiesel, però abbiamo visto che questo è a scapito della produzione di food crops. Il biodiesel viene prodotto dalla colza, dalle alghe, dalla soia, ma anche in questo caso se io produco biodiesel sto utilizzando questi terreni che già sono pochi, per fare non food crops invece che food crops, cioè coltura non per mangiare, invece di colture per mangiare, e comunque queste colture non da mangiare consumano acqua, fertilizzanti, inquinano ecc. I terreni marginali sono dei terreni che non possono essere più utilizzati per l’agricoltura o che sono stati abbandonati, se sono stati abbandonati significa che non hanno una buona propensione a dare frutti senza essere coltivata, però ce ne sono tanti di terreni marginali, moltissimi sono nelle zone montuose interne, molte sono abbandonate soprattutto da quelli che hanno lasciato le zone interne e sono andati verso la città, post Seconda guerra mondiale. -Le piante possono essere utilizzate per fare bioplastica, in realtà già adesso si fa molta bioplastica (esempio quei sacchetti di plastica che subito si rompono), questa bioplastica viene molto utilizzata per fare i teli da pacciamatura per i campi, i campi infatti sono coperti di teli neri, questo è importante per fase una cosa che si chiama solarizzazione, se un campo è stato infestano per esempio da spore, batteri ecc., ho due possibilità: o la cospargo di fungicidi, pesticidi e faccio un macello, oppure ci metto questo telo nero, lascio d’estate al sole, sotto al tempo si fa una temperatura fissa di 55-60°, per le ore di giorno in cui c’è luce, e quindi io ho una disinfestazione ad alta temperatura naturale. Problema: che ci faccio con questi teli scuri? Li devo togliere e poi li devo buttare, e questa è una grande quantità di plastica che viene buttata, ma oggi ci sono quelli formati da plastica biodegradabile, fatto da mais, e potrebbe anche eventualmente essere riciclato, riutilizzato, compostato o sotterrato. Questi prodotti sotterrati devono essere completamente biodegradabili, e per assicurare la resistenza a trazione (esempio la busta del supermercato che subito di rompe), loro un po' di plastica dentro non riciclata devono metterla. Studiare le piante ci aiuta sicuramente a vivere meglio, ma anche a rispondere a tutta una serie di problemi fondamentali che ci vengono posti da quello che accade attorno a noi, la crescita della popolazione, il cambiamento climatico, ma ci aiuta anche ad essere ben nutriti, sani, al riparo, vestiti. Questa è la rappresentazione di una cellula vegetale. La riconosciamo dalla parete, dai cloroplasti e dal vacuolo. Si vede la doppia composizione della parete cellulare delle diverse cellule adiacenti e degli spazi intercellulari aeriferi tra le varie parti. La parte più importante sono le membrane, in particolare la membrana citoplasmatica e dalle membrane interne, che compartimentalizzano le strutture. La compartimentalizzazione è una cosa reale molto importante. La dimensione delle strutture cellulari non è realistica, perché il vacuolo non occupa una piccola parte dello spazio, ma occupa una parte enorme dello spazio della cellula, comprimendo il citosol, che può rappresentare solo il 5%. Questa è una microfotografia di cellule di tabacco in cui ci rendiamo conto delle reali dimensioni: cloroplasti molto grandi, mitocondri molto piccoli, e nucleo. COMPARTIMENTI PLASMATICI E NON PLASMATICI: Che cos’è un compartimento plasmatico? Un compartimento plasmatico è un compartimento dove avviene trascrizione, traduzione di DNA e sintesi di proteine, ma ci deve essere DNA, questo che cosa significa che noi nelle cellule vegetali quanti compartimento plasmatici abbiamo? 3: nucleo, cloroplasto e mitocondrio. Cloroplasto e mitocondrio sono organuli cellulari, sono batteri fotosintetici e non fotosintetici fagocitati da un eucariota originario che ne ha conservato la funzione, l’ha compartimentalizzato in una propria membrana, per cui troviamo la doppia membrana, ma la funzione del materiale genetico circolare di mitocondrio e cloroplasto è quasi intatto, perché quasi intatto? Perché, se fosse completamente intatto la cellula vegetale non avrebbe controllo sull’azione e soprattutto divisione di cloroplasti e mitocondri, quindi potrebbero agire cloroplasti e mitocondrio come dei parassiti, riproducendosi (per scissione) praticamente facendo scoppiare la cellula (ma questo non deve accadere) per cui che cosa è successo? Che una parte del materiale genetico di cloroplasti e mitocondrio è stato trasportato, trasferito al nucleo, e regolazioni essenziali del metabolismo del cloroplasto e del mitocondrio vengono regolati dal nucleo.  Si parla di regolazione anterograda, che significa? Che per esempio, la proteina più importante del mondo è la rubisco, che è deputata alla carbossilazione della CO2 ed è presente in tutti i tessuti verdi, com’è fatta questa rubisco? È costituita da 16 subunità, è un esadecamero, questo esadecamero è fatto da 8 subunità grandi catalitiche e 8 subunità piccole regolative, le regolative vengono sintetizzate a partire da RNA messaggero sintetizzato nel nucleo eucariotico, trasferite al cloroplasto e nel cloroplasto fanno funzionare la rubisco, quindi regolazione anterograda.  Diversa è la regolazione retrograda, cioè se c’è uno stress nella pianta, che colpisce cloroplasti e mitocondri, si formano ROS perché le catene di trasporto non funzionano più, queste ROS escono dal cloroplasto o dal mitocondrio e vanno ad effettuare una segnalazione retrograda al nucleo, perché il nucleo prenda provvedimenti per la risposta allo stress, questa è una regolazione retrograda. Questa cosa può avvenire perché cloroplasto, mitocondrio e nucleo sono compartimenti plasmatici. Questo significa che il citosol non è un compartimento plasmatico? Il citosol è o non è un compartimento plasmatico? Nucleo e citosol sono separati? Si, dai pori nucleari molto ampi, talmente ampi che fanno passare materiale genetico, quindi di fatto nucleo e citosol sono un unico compartimento, un compartimento nucleo-citoplasmatico; quindi, nucleo e citosol sono un unico compartimento, e allora qual è un compartimento non citoplasmatico? Un compartimento non citoplasmatico è ad esempi il vacuolo, la parte esterna che si chiama apoplasto. Il vacuolo, il Golgi, l’apoplasto, i perossisomi, i gliossisomi, non sono plasmatici. Tutto ciò invece che ha un genoma che può essere tradotto, trascritto, e convertito in proteine, allora è un compartimento plasmatico. Non citoplasmatici è tutto ciò che non ha all’interno materiale genetico. La membrana: La membrana è un doppio strato di fosfolipidi, questo strato di fosfolipidi è attraversabile da gas, è attraversabile anche in piccola quantità (circa il 5%) da acqua, perché l’acqua ha una natura strana, parzialmente polare, ma anche anfipatica, cioè il 5% può passare, mentre il 95% ha bisogno di canali; mentre gli ioni che sono carichi non possono passare, vengono esclusi, esistono canali specifici per il loro passaggio. Le membrane regolano gli scambi dall’interno all’esterno, regolano anche la loro stessa funzionalità, autoregolandosi anche per il potenziale, anche se vengono aiutate da specifici trasportatori di membrana che sono delle pompe. Tutte le membrane presentano la stessa struttura con doppio strato, proteine intrinseche ed estrinseche, alcune proteine possono avere anche catene di carboidrati che servono per la segnalazione cellulare, cioè queste possono funzionare soprattutto per ricevere segnale e trasmetter questo segnale all’interno della cellula, per esempio da ormoni vegetali, possono anche funzionare per aumentare l’idrofilicità della parte esterna della membrana aumentando quello che è il potenziale di matrice. Oltre ai fosfolipidi classici di membrana, troviamo naturalmente gli steroli, in figura vediamo ad esempio il colesterolo (nelle piante ne troveremo 4 diversi). Questa è la struttura della fosfatidilcolina, che è formata da 2 acidi grassi insaturi, l’insaturazione dà una diversa conformazione all’acido grasso, gli tende la coda, deforma la coda, poi c’è un glicerolo, un gruppo fosfato e una colina. Quasi tutti i lipidi che conosciamo sono dei fosfolipidi, ma nelle piante noi troviamo non fosfolipidi ma anche glucolipidi e anche solfolipidi. Che cosa c’è di differente? Perché nelle piante troviamo questi diversi tipi di lipidi di membrana? Perché sia mitocondrio che cloroplasto nel momento in cui sono stati fagocitati, si sono portati dietro il loro corredo di lipidi di membrana, per esempio la cardiolipina è il fosfolipide tipico del mitocondrio, ed presente solo sulla membrana interna del mitocondrio, non è presente nella membrana esterna, che è di origine eucariota. La membrana interna dei cloroplasti, che rappresenta il 70-80% di tutte le membrane presenti sulla terra, la membrana esterna è eucariotica, la membrana interna di origine batterica, in particolare di un batterio fotosintetizzante, un grande dispendio energetico di membrane. L’amido viene sintetizzato dalle piante ed è la maggiore fonte energetica per l’uomo e per gli animali, se viene prodotto lo 0,1% in più di 160 miliardi chili di amido, noi produciamo molto di più, ad esempio aumentare nelle patate la produzione di amido, o anche nei cereali. I fosfolipidi sono trovati come costituenti nelle membrane per esempio nei batteri, negli animali e nelle piante. Una specialità delle piante dei cianobatteri, quindi dei batteri fotosintetizzanti che erano stati fagocitati dall’eucariota originario, è che essi contengono in aggiunta ai fosfolipidi i galattolipidi, in particolare il monogalattosil diacil glicerolo e il digalattosil diacil glicerolo. Il galattosio è l’epimero del glucosio, significa che in posizione 4 ha un OH girato; quindi, usa il galattosio e attacca direttamente il galattosio al glicerolo, senza il fosfato. Poi esiste anche una variante di questo monogalattosil diacil glicerolo con un gruppo solfonico. Questi monogalattosil e digalattosil vengono ora studiati, perché quando estratti dalle piante possono avere un effetto antivirale, antitumorale e antiinfiammatorio sulle cellule animali, quindi non solo hanno un vantaggio, ma essi stessi possono funzionare da antiossidanti, quindi si costruisce qualcosa che funziona da antiossidante e in più, in una cellula vegetale abbiamo detto che il 70-80% sono lipidi di membrana, le piante quindi rappresentano la parte più grande della biosfera, e questo è il motivo per cui questi monogalattosil e digalattosil diacil gliceroli rappresentano i più abbondanti lipidi sulla terra, che cosa cambia rispetto agli altri? Che non hanno fosfato, il fosfato è un elemento limitante nei suoli, se facesse affidamento sul fosfato dovrebbe limitare la produzione dei lipidi, invece poiché il galattosio se lo fa dal glucosio, e anche gli acidi grassi se li fa da solo dal glicerolo, partendo sempre dai triosi fosfati sintetizzati durante la fotosintesi, rende autonoma dall’ambiente esterno con la sintesi di questi fosfolipidi. Isaac Asimov è stato uno scrittore importante negli anni 50, ha scritto molti libri di fantascienza che alla fine si sono rivelati premonitori di cose che sono realmente successe, perché lui era unno scienziato, perché lui basava i suoi romanzi su cose molto realistiche, e disse che probabilmente che la strozzatura del mondo per gli animali sarà la fine della disponibilità di fosforo a fine 2100. Dobbiamo trovare una soluzione per riuscire a utilizzare il fosfato già presente nei suoli, molto abbondante, che però non può essere utilizzato. (ogni umano ha bisogno di 0,6 g di fosforo al giorno, le piante se volessero fare tutti i lipidi come fosfolipidi, ne avrebbero bisogno di molto di più). Nel mondo i giacimenti di fosforo sono in 2 posti principali: Cina e Nord Africa, il paese che ha le maggiori riserve mondiali di fosforo si trova in Marocco con il 70% delle riserve totali e 50 miliardi di tonnellate, la Cina ne ha solo 138 milioni di tonnellate, ma è l’esportatore maggiore, ci sono anche Siria e Algeria che sono le più grandi riserve di fosfato dopo questi 2 paesi, che hanno 1,8 e 2,2 miliardi di tonnellate di fosfato. Il Marocco basa molto la sua economia sul fosfato, ha un enorme giacimento di fosfato, che ha finanziato una delle università più importanti del mondo che offre borse di studio a tutti i ragazzi eccellenti dell’Africa e permanenza gratuita in un campus che si chiama Mohammed VI, e che fa ingegneria, economia, medicina, parte tecnica, architettura, agronomia. (ha progettato anche case piccole ecosostenibili). Le membrane vegetali possono regolare la propria fluidità. Quando serve che le membrane regolino le loro fluidità? Sempre, perché le piante non si riparano al freddo, non si riparano dalla luce forte, ma sono immobili, si dice che sono sessili, la sessilità delle piante determina in queste dei meccanismi di adattamento che sono non presenti negli animali e negli altri organismi, perché gli altri si possono muovere, e uno di questi meccanismi è di determinare sia una maggiore fluidità della membrana quando fa freddo, sia una minore fluidità della membrana quando fa troppo caldo, perché le proteine, le catene di trasporto devono stare dove stanno, se si spostano di poco, oppure se non possono avere modifiche conformazionali, non funzioneranno. L’esempio chiave della fotosintesi e del mitocondrio è il movimento del chinone, il chinone si deve muovere nel doppio strato, ma non è l’unico a muoversi, cioè i cambiamenti conformazionali delle proteine all’interno delle membrane ne garantiscono il funzionamento, cioè se le proteine non possono cambiare conformazione non funzionano in alcuni casi. La fluidità delle membrane è governata dalla proporzione degli acidi grassi insaturi, questo è il motivo per cui le piante durante la crescita, a bassa temperatura, sono maggiormente instaurate (cioè, hanno gli acidi grassi insaturi in maggiore concentrazione), e quindi vengono incorporati questi acidi grassi nelle membrane per compensare la diminuzione di fluidità della membrana causata dalla bassa temperatura. Sopra vediamo la membrana fatta da tutti acidi grassi saturi, e sotto vediamo la membrana fatta da tutti acidi grassi insaturi. Quella con gli acidi grassi insaturi ha le code degli acidi grassi che non si allineano perfettamente, e non allineandosi non consentono un compattamento; quindi, se io aumento il disordine sterico, spaziale, io aumento la fluidità, se invece compatto tutto e diminuisco l’insaturazione, aumento la rigidità. Stessa cosa, recentemente la tolleranza al freddo del tabacco (spesso fanno studi per portare piante in areali differenti dove non sono normalmente adattate), è stata aumentata, aumentando la proporzione di acidi grassi insaturi nei lipidi di membrana attraverso l’ingegneria genetica. Questi sono i 4 steroli delle piante: colesterolo, camposterolo, sitosterolo e stigmasterolo. Sono quasi simili. Che cosa cambia? Cambia che sitosterolo e 24- metilcolesterolo possono regolare la fluidità della membrana e la permeabilità della membrana in una maniera simile ai mammiferi. Quindi sitosterolo, metilcolesterolo e colesterolo regolano la fluidità della membrana. Gli steroli delle piante possono però anche modulare l’attività degli enzimi legati alle membrane, lo stigmasterolo può essere specificatamente richiesto per la proliferazione cellulare. Il colesterolo può anche modulare la fluidità della membrana in senso inverso, irrigidisce la membrana perché, se la membrana è troppo rigida quando fa freddo, non si possono muovere, non ci può essere modifica conformazionale delle proteine, non ci può essere una catena di trasporto che funziona bene, però se anche è troppo fluida, molle, le proteine non sono più integrate nella loro forma richiesta, e quindi succede che le proteine non funzionano, perché devono stare al loro posto. Nelle catene di trasporto elettronico la distanza deve essere controllata, se le distanze sono troppo grandi, l’efficienza del trasporto elettronico diminuisce, e quando diminuisce l’efficienza del trasporto elettronico aumentano subito le ROS, quindi mantenere l’efficienza del trasporto elettronico che è fondamentale anche per una difesa contro l’eccesso di stress ossidativo. Modello di membrana a mosaico fluido. Movimenti dei fosfolipidi: I fosfolipidi di membrana possono flettersi, ruotare, oscillare, ma possono anche traslocare: cioè passare da uno strato all’altro, a che serve questa traslocazione? Potrebbe essere un’internalizzazione di recettori o viceversa, ma può significare anche un’altra cosa, nel momento in cui vengono inserite proteine estrinseche di membrana, queste vengono inserite solo da un lato, allora se viene fatto il folding, cioè l’inserimento della proteina con la sua struttura specifica all’interno della membrana, solo da un lato, allora abbiamo che da un lato la membrana sarà più ‘piena’, e l’altro strato sarà più vuoto, e allora riescono ad esserci problemi tra i due, se io riempio da un lato e poi faccio migrare alcuni fosfolipidi dall’altro lato, io compenso i due strati di membrana. Tutti i trasporti delle piante vengono definiti trasporti simplastici o apoplastici, cioè un trasporto all’interno del citoplasma e un trasporto all’esterno delle cellule. Ancora di più che per loro, per noi è importantissimo perché il trasporto può avvenire all’interno e all’esterno delle cellule, l’assorbimento di acqua può avvenire all’interno e all’esterno delle cellule, il movimento di ioni può avvenire all’interno o all’esterno delle cellule, ma interno ed esterno delle cellule formano due compartimenti importanti: -il compartimento apoplastico: fatto da pareti cellulari, spazi intracellulari ed extracellulari, quindi l’apoplasto è l’insieme delle pareti e degli spazi intercellulari e anche extracellulari; -Mentre il simplasto è l’insieme dei protoplasti, cioè cellule prive di pareti connesse dai plasmodesmi (giunzioni). Un enorme quantità di plasmodesmi, un enorme quantità di giunzioni che mettono in comunicazione cellule vicine. I plasmodesmi consentono il passaggio di cellule più piccole con P.M. inferiore a 800-900 dalton, (molecole, non DNA, non proteine), e una singola cellula può avere da 1000 a 10.000 plasmodesmi. Il plasmodesma non è un foro, è una giunzione piena di reticolo endoplasmatico, questa giunzione può avere anche degli anelli contrattili. (in foto vediamo a sinistra la fotografica e a destra la microfotografia originaria). Plasmodesmi: vediamo nella foto la parete cellulare, la membrana, in mezzo abbiamo il reticolo endoplasmatico, e tra il reticolo endoplasmatico e la membrana plasmatica non è vuoto, ma è pieno di proteine globulari e filamentose che formano una sorta di raggio serve a definire la dimensione delle molecole che possono passare, è come se fosse un filtro molecolare, perché la successione delle proteine filamentose non è tutta nella stessa direzione, se vogliono far passare molecole più grandi basta mettere i filtri uno sopra all’altro uguali, nella stessa direzione, se voglio stringere il filtro lo metto in direzioni sovrapposte, formo una rete a maglie strette, ma possono formare anche una rete a maglie larghe. Questo è un diagramma di un plasmodesma. La membrana plasmatica di cellule vicine è connesso da un invaginazione di membrana a forma di tubo, quindi tubulare, dentro questo tubo c’è una continuazione del reticolo endoplasmatico, avvolto tra la membrana e il reticolo endoplasmatico ci sono delle particelle proteiche che sono connesse le une alle altre, questi spazi tra le particelle formano il passaggio di diffusione del plasmodesma. Quindi il passa

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