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Light energy management in fruitspecies: utilization, photo-protec-tion and photo-damage. What impli-cations for productivity?

Abstract. The energetic basis of orchard productivi-ty lies in the interaction between the tree and sunlight.The light intercepted by a plant is linearly related tothe amount of dry matter it produces. This conceptdrew the evolution of the new, intensive orchardplanting systems, although this dependence seems tobe more subordinate to planting system rather thanlight intensity. At whole plant level not always theincrease of irradiance determines productivityimprovement. One of the reasons can be the plantintrinsic un-efficiency in using energy. Generally in fulllight only the 5–10% of the total incoming photosyn-thetic photon flux density (PPFD) is allocated to netphotosynthesis. Therefore preserving or improvingthis efficiency becomes pivotal for scientist and fruitgrowers. Net photosynthesis increases with light untilthe saturation point and additional PPFD doesn’timprove carboxylation. In several parts of the world,under clear sky the PPFD reaches commonly 2,000µmol photons m-2 s-1 or above, and about 50% of theincoming light is enough for reaching the saturatingpoint in most plant species. On the other hand, abouthalf of the available light may be in excess. Eventough a conspicuous energy amount is reflected ortransmitted, plants can not avoid to absorb photons inexcess. The chlorophyll over-excitation promotes thereactive oxygen species (ROS) production increasingthe photoinhibition (photo-damage) risks. The danger-ous consequences of photoinhibition forced plants toevolve a complex and multilevel machine able to dis-sipate the energy excess quenching heat (NonPhotochemical Quenching), moving electrons (water-water cycle, cyclic transport around PSI, glutathione-ascorbate cycle and photorespiration) and scaveng-ing the generated ROS. The price plants must pay forthis equipment is the use of CO2 and reducing powerwith a consequent decrease of the photosynthetic effi-ciency, both because some photons are not used forcarboxylation and an effective CO2 and reducingpower loss occurs. The wide photo-protective appara-

tus, although is not able to cope with the excessiveincoming energy, therefore photo-damage occurs.Each event increasing the photon pressure and/ordecreasing the efficiency of the described photo-pro-tective mechanisms (i.e. thermal stress, water andnutritional deficiency) can emphasize the photoinhibi-tion. Likely in nature a small amount of not damagedphoto-systems is found because of the effective, effi-cient and energy consuming recovery system. Sincethe damaged PSII is quickly repaired with energyexpense, it would be interesting to investigate howmuch PSII recovery costs to plant productivity. Thisreview purposes to improve the knowledge about theseveral strategies accomplished for managing theincoming energy and the light excess implication onphoto-damage in plants. Furthermore the chlorophyllfluorescence measure technique is described. This isthe most useful method, particularly because it can beused in vivo as well and it is possible to quantify anddiscriminate the contribution of pathways in which theincoming photon pressure is engaged. Finally somecases of light excess linked with abiotic stresses andparticular physiological condition on fruit species arereported.

Key words: Photosynthesis, photo-damage, NonPhotochemical Quenching, electron alternative trans-ports, light excess.

Introduzione

Il comparto frutticolo vive in costante evoluzionedovendo fronteggiare sempre nuove esigenze tecnichee di mercato che fanno aumentare i costi di produzio-ne, senza un corrispondente incremento dei prezzi alfrutticoltore. Tale condizione stimola ricercatori efrutticoltori a cercare metodi più efficienti per ottene-re produzioni quanti/qualitativamente soddisfacenti acosti ridotti. La maggiore disponibilità dei fattori dellaproduzione ed il miglioramento genetico, finalizzatoall’ottenimento di cultivar di taglia ridotta, hanno per-messo lo sviluppo di nuove forme di allevamentoadatte agli impianti ad alta densità per utilizzare almassimo la superficie coltivabile. Il concetto principa-le da cui la frutticoltura ad alta densità ha preso le

Gestione dell’energia radiante nelle piante da frutto: utilizzazione, foto-protezione e foto-danno. Quali implicazioni per la produttività?Pasquale Losciale*, Emanuele Pierpaoli e Luca Corelli Grappadelli Dipartimento di Colture Arboree, Università di Bologna, via Fanin 46, 40127 Bologna

Ricezione: 16 dicembre 2008; Accettazione: 24 aprile 2009

* [email protected]

Review n. 10 – Italus Hortus 16 (4), 2009: 1-22

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mosse è stato l’esistenza di una relazione lineare traintercettazione luminosa e produttività. Tuttavia incondizioni radiative soddisfacenti, quali quelle pre-senti nel bacino mediterraneo, la produzione areica èsembrata maggiormente legata alla densità di impian-to più che alla intensità della radiazione incidente.

Una quantità di luce eccedente la capacità di utiliz-zo da parte delle foglie innesca processi foto-ossidati-vi capaci di distruggere il sistema fotosintetico (fotoi-nibizione) con immaginabili ripercussioni sulla car-bossilazione e sull’allocazione dei fotosintati verso lariparazione piuttosto che a vantaggio della produzio-ne. Il risultato è una minore efficienza e potenzialeproduttività degli impianti.

In un contesto generale, che pone grande enfasisulla sostenibilità delle pratiche agricole e della sem-pre più razionale utilizzazione delle risorse disponibi-li, diviene molto importante verificare l’esistenza el’entità di fenomeni connessi ad una non ottimale uti-lizzazione della luce, per gli effetti che ciò può averesia sulla produttività che sull’uso efficiente dellarisorsa acqua. Le conoscenze in queste problematichesono state limitate per molti anni ad esperimenti con-dotti in laboratorio, per la loro complessità e per lamancanza di strumentazioni portatili che si potesseroutilizzare in campo. Negli ultimi anni, fortunatamente,questa limitazione strumentale è largamente scompar-sa, aprendo le porte a nuovi studi che, seppur di base,promettono un ampia e rapida trasferibilità ai fruttetispecializzati presenti in Italia.

In questa review viene descritto il processo difotoinibizione ed i diversi meccanismi di protezione eriparazione che le piante hanno evoluto. Inoltre illavoro riporta la principale metodologia utilizzata perla determinazione del grado di fotoinibizione e foto-protezione in vivo ed alcuni casi colturali osservati supiante da frutto in cui l’eccesso luminoso è stato asso-ciato a stress abiotici ed a particolari condizioni fisio-logiche.

Densità di impianto, forma d’allevamento, inter-cettazione luminosa e produttività

Nello scenario globalizzato della frutticolturamoderna risulta essere decisamente arduo stabilirequali siano le migliori strategie produttive e commer-ciali da seguire per affrontare un mercato ad elevataconcorrenza. Un aspetto, indicato da molti analisti delsettore come prerogativa essenziale ed imprescindibi-le per il successo, è la qualità della produzione(Calabrese et al., 2007). Allo stesso tempo non è pos-sibile trascurare la produttività di un frutteto poiché laquantità di frutta prodotta e vendibile risulta essere il

fattore fondamentale per il profitto dell’azienda agri-cola (Goedegebure, 1981). Per ottenere produzioniquanti/qualitativamente remunerative sono stati viavia ottimizzati e resi più efficienti molteplici aspettiagronomici come la gestione del suolo, la scelta dellacultivar, la gestione della concimazione, dell’irriga-zione e della difesa, infine la scelta della forma diallevamento e della densità d’impianto più congenia-le.

Secondo il principio proposto da Monteith inizial-mente per piante di pieno campo, la produzione disostanza secca organicata è funzione lineare della luceintercettata (Monteith, 1977). Tale concetto, verificatoin seguito per i frutteti (Lakso, 1994) ha guidato lafrutticoltura moderna nello sviluppare forme di alleva-mento aventi lo scopo di intercettare il maggior nume-ro di fotoni possibile. La massima efficienza di unfrutteto in termini di intercettazione luminosa e pro-duttività è ottenuta combinando forme di allevamentoaperte e distanze di impianto ridotte, in modo tale daridurre la quantità di luce incidente al suolo, percepitacome luce persa o come uno spreco di energia(Grossman e DeJong, 1998). Fermo restando che l’ec-cessivo auto-ombreggiamento da parte delle fogliepotrebbe avere conseguenze negative sull’attività car-bossilativa e sulla produzione finale delle piante(Taylor e Geisler-Taylor, 1989; Loreti e Massai,2002), il frutteto ideale dovrebbe avere la peculiaritàdi garantire una copertura continua di foglie su tutta lasuperficie di terreno occupata (Palmer, 1980).

A parità di specie frutticola e cultivar l’intercetta-zione luminosa di un frutteto è determinata dal pro-dotto tra la densità di flusso fotonica incidente e LAI,a sua volta funzione di forma di allevamento e densitàdi impianto. La stessa intercettazione luminosapotrebbe essere ottenuta, ad esempio, riducendo ilnumero di piante per ettaro e aumentando la pressionefotonica in ingresso. Da diversi studi effettuati èemerso che per le piante da frutto la produzione areicaè maggiormente legata alla densità di impianto piùche alla pressione fotonica intercettata (Lakso, 1994).In pesco (Prunus persica L.), specie presente nellamaggior parte delle aree frutticole italiane, piante alle-vate a “Vaso”, “Cordone”, “KAC-V” (KearneyAgricultural Center Perpendicular-V) e “HiD KAC-V” (High Density KAC-V), aventi densità di impiantorispettivamente di 299, 919, 919 e 1.196 piante perettaro, hanno evidenziato la stessa crop efficiency,(rapporto tra sostanza secca dei frutti e area dellasezione del tronco). Inoltre “KAC-V” e “Cordone”,con stessa densità di impianto, hanno mostrato risulta-ti simili per quanto riguarda resa e grammi di sostanzasecca di frutta per metro quadro di suolo, nonostante

Energia radiante nelle piante da frutto

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la forma a “Cordone” avesse intercettato più luce di“KAC-V” (Grossman e DeJong, 1998).

Intercettazione luminosa, anatomia fogliare e qua-lità delle produzioni di pesco

La luce riveste un ruolo di fondamentale importan-za anche per le caratteristiche anatomiche della piantae per la qualità dei frutti. Su piante di nettarina dellacv ‘Nectagrand 1’ allevate a “palmetta libera” lefoglie posizionate alla sommità della chioma hannoevidenziato un maggior accumulo di amido nei cloro-plasti, più strati di cellule a comporre il tessuto apalizzata, maggiore spessore e densità di stomi dellefoglie all’ombra poste nei palchi inferiori (Baraldi etal., 1994). Foglie cresciute al sole, inoltre, hanno fattoregistrare valori più elevati di peso secco specifico,concentrazione azotata, conduttanza stomatica, con-centrazione di carboidrati e fotosintesi netta rispetto afoglie sviluppatesi all’ombra nonostante le prime con-tenessero meno clorofilla totale (Kappel e Flore,1983).

Per quanto riguarda i parametri qualitativi la mag-giore intercettazione luminosa in peschi allevati a“Palmetta” rispetto a piante a “Free spindle” ha cau-sato una maturazione più precoce dei frutti (Loreti etal., 1989). I caratteri qualitativi non sempre sonorisultati linearmente correlati alla intensità luminosa.Prove condotte in pesco hanno mostrato una relazionediretta tra pezzatura, colore e disponibilità di lucesolare, tuttavia pigmentazione di fondo e sovracolorerosso delle pesche sono risultate moderatamente lega-te alla luce. Gli autori hanno concluso che, probabil-mente, anche basse intensità di luce, come quelle dif-fuse all’interno della chioma, sarebbero state suffi-cienti a garantire un buon sviluppo della colorazionerossa (Corelli Grappadelli e Coston, 1991). Sulla cv‘Redhaven’ è stato rilevato che il 17% dell’irradianzatotale era sufficiente per avere più del 70% della pig-mentazione rossa e che con un’esposizione pari al47% della luce totale incidente si raggiungeva lo stes-so livello di colorazione dei frutti controllo completa-mente esposti. Inoltre dalla stessa prova è emerso cheun’esposizione del 16-32% della luce incidente totalenon ha determinato differenze in pezzatura, contenutoin solidi solubili e consistenza; mentre un ombreggia-mento del 60% a 15 giorni dalla raccolta, pur nonavendo determinato alcuna differenza per i valori dipezzatura, residuo solido solubile e consistenza dellapolpa, ha ridotto il sovracolore dei frutti al 56% diquello registrato su frutti completamente esposti allaluce (Erez e Flore, 1986). Su diverse cultivar di melo(Malus domestica Borkh.) l’impiego di reti antigran-

dine nere, capaci di ridurre la radiazione incidente del18-25% non ha sortito alcun effetto su consistenzadella polpa, contenuto in solidi solubili ed acidità tito-labile. Solo nella cv Jonagold, in cui l’espressione delcolore è debolmente legata alla componente genetica,è stata riscontrata la posticipazione della raccolta diuna settimana ed una minore intensità del sovracolore(Widmer, 2001).

Più luce = più fotosintesi?

Misure di fotosintesi netta effettuate su singolafoglia hanno evidenziato che la carbossilazione nettaaumenta in maniera lineare con la densità di flussofotonico incidente fino al raggiungimento di uno statostazionario. L’intensità luminosa oltre la quale la foto-sintesi non subisce alcun incremento è detta punto disaturazione. Questo fenomeno fu rilevato già daBohning e Burnside (1956) su foglie di diverse speciedi interesse agronomico ed ecologico e da Jensen eBassham (1966) su cloroplasti isolati. Nella vite (Vitisvinifera L.), il livello di luce saturante è stato rilevatotra 750 e 1.000 µmol fotoni m-2 s-1 (Escalona et al.,1999); in melo la saturazione è raggiunta ad intensitàluminose molto variabili, tra 400 e 1.000 µmol fotonim-2 s-1 in funzione diretta del contenuto di azoto nellefoglie (Cheng et al., 2001). Per il pesco il punto disaturazione è indicato tra 700 e 900 µmol fotoni m-2 s-1 (Kappel e Flore, 1983) ed in actinidia (Actinidiadeliciosa [(A.Chev.) C.F.Liang. & A.R.Ferguson]) laPPFD saturante è attestato tra 700 e 1.000 Ìmol fotonim-2 s-1 in funzione delle condizioni luminose di cresci-ta della foglia (Greer e Halligan, 2001).

La fascia climatica di tutto il bacino delMediterraneo è caratterizzata da assolate giornate pri-maverili ed estive in cui si registrano livelli di PPFDben più alti di quelli saturanti. Le piante, quindi,sonoesposte ad un’irradianza superiore a quanta può essereutilizzata per la carbossilazione durante molti giorninell’arco dell’intera stagione (Corelli Grappadelli eLakso, 2007). Un eccesso di energia incidente sullapianta potrebbe determinare una più frequente e rile-vante manifestazione del fenomeno della fotoinibizio-ne (Osmond e Chow, 1988) che sommandosi ad altristress di diversa natura (idrico, termico, nutrizionale,ecc.) e non sempre evitabili, potrebbe avere graviimplicazioni sulla capacità fotosintetica delle piante(Powles, 1984; Galmés et al., 2007).

Prove condotte in Israele su piante di tangelo(Citrus reticulata Blanco X Citrus sinensis L.) alleva-te in vaso a diversi livelli di ombreggiamento hannoevidenziato che una riduzione della radiazione inci-dente del 30% e 60% tramite reti alluminizzate ha

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considerevolmente incrementato la sostanza secca diradici, foglie e fusto rispetto al controllo (tab. 1)Tuttavia essendo piante giovani, per cui prive di frutti,non è stato possibile valutare l’effetto ombreggiantesulla produzione (Raveh et al., 2003). Effetti migliora-tivi sulle performance fotosintetiche di singole fogliee piante intere sono stati osservati in melo (fig. 1) epompelmo (Citrus paradisi L.) riducendo l’eccessoluminoso tramite l’utilizzo di caolino (sostanza inerteriflettente) spruzzato sulle foglie (Glenn et al., 2001;Glenn et al., 2003; Jifon e Syvertsen, 2003).

Fotoinibizione

Per stress foto-ossidativo si intende una condizionecapace di formare specie reattive (o attive) dell’ossige-no (ROS) in dose critica per la pianta, derivante dalladifficoltà di utilizzare tutta l’energia luminosa in entra-ta. La costituzione di tali ROS si riscontra nel com-plesso antenna del PSII (LHCII), nel core complex delPSII e nel core complex del PSI (Niyogi, 1999).

Nei primi due siti menzionati la sovra-produzionedi ROS è determinata dalla maggiore longevità dellaclorofilla allo stato eccitato (singoletto eccitato, 1Chl).In condizioni non stressanti, l’eccitazione di unamolecola di clorofilla da parte di un fotone determinail trasporto energetico lungo tutto il LHCII fino allaclorofilla P680 del core complex del PSII. Quest’ultimasi eccita e, attraverso il processo di separazione dicarica, cede un elettrone all’accettore successivo: lafeofitina. Da questo punto in poi si innesca il trasportoelettronico necessario per generare ATP e potere ridu-cente per la “fase oscura” della fotosintesi(Blankenship e Prince, 1985). In condizioni di eccessoluminoso, ovvero quando il trasporto energetico edelettronico è più lento rispetto alla pressione fotonicain entrata, tutte le clorofille, incluso il P680, si trovanonello stato di singoletto eccitato per un tempo piùlungo, poiché nessuna molecola è disponibile peraccettare altra energia (Foyer e Harbinson, 1994). Laclorofilla singoletto, quindi, decade ad un livello ener-getico inferiore, tripletto eccitato (3Chl). In questostato di eccitazione il pigmento è più stabile e longevoper cui è in grado di interagire con l’ossigeno forman-do la prima specie reattiva dannosa: l’ossigeno singo-letto (1O2) (Aro et al., 1993). Alcune ricerche hannosuggerito che la prima causa di danneggiamento delPSII sia lo stesso P680+, l’agente ossidante più potentenella fotosintesi, capace di ossidare l’acqua. Il P680+,sequestrando elettroni dal suo intorno molecolare for-merebbe radicali liberi provocando la frattura dellastruttura del core complex del PSII. Solo successiva-mente, l’ossigeno penetrerebbe per reagire con 3P680(Anderson e Chow, 2002).

Nel PSI non si riscontra la formazione di 1O2 inquanto nel LHCI la vita della 1Chl è molto breve,mentre nel core complex il P700 è in grado di dissiparetermicamente gli eccessi energetici anziché decadereallo stato di tripletto eccitato (Barth et al., 2001).Tuttavia nel centro di reazione del PSI il rischio diformazioni di ROS è determinato dalla capacità dellaferridossina (Fdx) ridotta di cedere elettroni alternati-vamente all’NADP+ o all’ossigeno, trasformandolo inione superossido (O2

-), secondo la cosiddetta reazionedi Meheler (Asada, 1999). Una bassa disponibilità di

T-0Controllo30% Tunnel60% Flat60% Tunnel

137 b261 a277 a284 a259 a

TrattamentoRadici Fusto

Sostanza secca (g)Foglie Totale55 c

207 b267 a268 a258 a

253 b432 a460 a487 a498 a

445 c900 b

1.004 a1.039 a1.015 a

Tab. 1 - Effetto dell’ombreggiamento a diversa intensità emodalità di realizzazione sull’accumulo di sostanza secca (g)

radicale, fogliare, del fusto e totale di giovani piante di tangelo. T-0= contenuto in sostanza secca nei diversi comparti all’inizio

dell’esperimento. Ogni dato rappresenta la media di 6 repliche enella stessa colonna valori accompagnati da lettere diverse sono

differenti per P = 0,05 (Adattato da Raveh et al., 2003).Tab. 1 - Shading effect on leaf, stem and root dry mass on youngtangor plants. The shading treatment was performed at differentintensities and manner. T-0= dry matter content at the beginning

of the experiment. Data are average of 6 replicates and in thesame column, values accompanied by different letters are

statistically different at P = 0.05. (Adapted from Raveh et al.,2003).

Fig. 1 - Assimilazione netta misurata su intere chiome di melo cvEmpire in piena luce (-<-) e trattate con caolino (-•-). Alla stessa

ora del giorno i punti contrassegnati con * sono statisticamentedifferenti a P=0.05 (Adattato da Glenn et al., 2003).

Fig. 1 - Whole canopy net assimilation measured on apple cvEmpire treated (-<-) and untreated (-•-) with kaolin. At the sametime of the day the points targeted with * are statistically different

at P=0.05 (Adapted from Glenn et al., 2003).


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NADP+ rispetto alla pressione fotonica in entratadetermina una sovra-produzione di ione superossido.

I danni derivanti dalla formazione di ROS neifotosistemi sono molteplici e dipendono dal loro sitodi formazione. In particolare, nel LHCII si assisteall’ossidazione dei pigmenti antenna e delle proteinetilacoidali (Knox e Dodge, 1985); mentre nel corecomplex si evidenzia la compromissione del P680 esoprattutto la distruzione delle proteine del centro direazione, in particolare della proteina D1. Si riscontra,inoltre, l’ossidazione dei lipidi e, infine, la completainattivazione del centro di reazione (Aro et al., 1993;Barber e Andersson, 1992). Nel PSI l’eccesso di ROScomporta la distruzione dei centri ferro-zolfo, l’inatti-vazione e la degradazione di vari enzimi. I danni ascapito del PSI sono più ricorrenti in condizioni dibassa temperatura, quando l’attività enzimatica èridotta, il trasporto energetico ed elettronico è menoveloce e l’energia radiante in ingresso, seppur dibassa intensità, risulta essere eccedente rispetto allecapacità di utilizzo della pianta (Kaiser, 1979). Infine,l’interazione tra ferro libero, derivante da proteinedanneggiate, e ROS determina la formazione di radi-cali ferro-ossigeno altamente dannosi, aventi cometarget preferenziale la RuBisCO (Halliwell eGutteridge, 1984). La conseguenza diretta di tali dis-sesti è la compromissione dell’intero sistema fotosin-tetico e quindi un decremento dell’attività carbossila-sica della pianta stessa (Ort, 2001).

In Vitis berlandieri Planch., ad esempio, foglieesposte ad una intensità luminosa di circa 1.900 µmolfotoni m-2s-1 per 60 minuti hanno mostrato un decre-mento della quantità della proteina D1 del 30% rispet-to a piante controllo. Sottoponendo le foglie ad ulte-riori 60 minuti di buio si è ottenuta una quasi totaleriparazione dei fotosistemi (fig. 2). L’efficienza quan-tica di assimilazione di CO2 è ritornata alle condizioniprecedenti lo stress, con la spesa, però, di energia eCO2 sottratta all’accumulo ponderale di sostanzasecca (Bertamini e Nedunchezhian, 2004).

In Florida altri ricercatori hanno evidenziato chepiante di pompelmo trattate con caolino ed alberi con-trollo hanno mostrato una diminuzione della fotosin-tesi netta all’incrementare dell’irradianza con undecremento considerevolmente più accentuato nellepiante testimone non ombreggiate. Tale differenzanon è ascrivibile ad una diversa concentrazione diCO2 sottostomatica, pressoché uguale tra le due tesi aconfronto nelle ore di massima intensità luminosa(fig. 3). Le piante controllo, inoltre, hanno evidenzia-to un grado di fotoinibizione più elevato di quelletrattate con caolino nelle ore più calde ed assolatedella giornata (Jifon e Syvertsen, 2003).

Sistemi di difesa ed adattamento

In un ecosistema tutti gli esseri viventi presentisono quelli che meglio si sono adattati ai fattori abio-tici e biotici caratterizzanti proprio quell’ambiente. Seda un lato la luce risulta essere indispensabile per lavita delle piante, dall’altro questa è un fattore di altorischio per la loro esistenza. Come esiste il fenomenodella fotoinibizione, così si è evoluta in tutti gli orga-nismi fotosintetizzanti anche la possibilità di difender-si. I meccanismi preposti a tale scopo seguono diversestrategie riassumibili in: prevenzione, protezione eriparazione.

PrevenzioneRiduzione del flusso fotonico in entrata. In condi-

zioni di elevata irradianza alcune specie sono in gradodi orientare le foglie e modificare conformazione eposizione dei cloroplasti in modo da avere menosuperficie fotosintetizzante in piena luce evitando cosìuna forte pressione fotonica in entrata (Pastenes et al.,2003; Oguchi et al., 2003). Purtroppo non tutte le spe-cie sono in grado di mettere in atto tale meccanismo;il melo ad esempio evidenzia una scarsa capacità dimuovere velocemente le foglie per sottrarsi all’altadensità di flusso energetico (Koller, 1990). Una forma

Fig. 2 - Contenuto relativo della proteina D1 in foglie di Vitisberlandieri L. mantenute al buio (bianco), irradiate per 60 minutiad una PPFD di 1900 µmol m-2s-1 (nero) e mantenute al buio per60 minuti dopo il trattamento luminoso fototoinibitorio (grigio).Ogni bara rappresenta la media di 3 repliche + s.e. (Adattato da

Bertamini e Nedunchezhian, 2004).Fig. 2 - D1 relative content in Vitis berlandieri L. leaves

maintained in the dark (white bar) after 60 minutes at PPFD of1900 µmol m-2s-1 (dark bar) and maintained in the dark for 60

minutes after the light photo-inhibitory treatment (grey bar). Eachbar represents the average of 3 replicates + s.e. (Adapted from

Bertamini e Nedunchezhian, 2004).

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fotoprotettiva molto più praticata dagli organismivegetali è la riduzione del pool delle clorofille con laconseguente diminuzione della quantità di energiacaptata (Anderson, 1986). Non del tutto confermato,sembrerebbe invece il cosiddetto “stato di transizione”

che prevede lo spostamento sull’LHCI di monomeridi pigmenti antenna del PSII in modo tale da equili-brare la pressione fotonica su entrambi i fotosistemi(Allen, 1995).

ProtezioneIncremento del flusso energetico in uscita. Non

potendo evitare gli eccessi luminosi in ingresso, lamaggior parte delle piante contrappone all’elevatairradianza un aumento delle aliquote energetiche inuscita. Lo scopo di tale incremento è la diminuzionedel potenziale intasamento dei fotosistemi.Aumentando i flussi in uscita, infatti, la pianta riesce amantenere gli accettori energetici ed elettronici sem-pre disponibili per ricevere nuova energia evitandouna vita troppo lunga della clorofilla singoletto ed unascarsa disponibilità di NADP+. I due meccanismi cheentrano in gioco come scolmatori energetici sono ladissipazione termica e la dissipazione fotochimica(Niyogi, 1999).

Dissipazione termica (Non PhotochemicalQuenching). La dissipazione termica (NPQ) può esse-re suddivisa in quenching inibitorio (qI), quenchingtransitorio (qT) e quenching energetico (qE).Quest’ultimo rappresenta la principale via di fotopro-tezione dei sistemi fotosintetici, infatti circa il 75%dei fotoni captati può essere eliminato attraverso taleprocesso (Demmig-Adams et al., 1996). Il qE interes-sa tutti i sistemi antenna (in particolare Lhc4 ed Lhc5)in quanto i pigmenti coinvolti sono fortemente legati atali complessi (Ort, 2001). Il meccanismo di dissipa-zione termica causa dunque una dispersione energeti-ca che ha lo scopo di ridurre la vita della clorofillasingoletto evitando la formazione di 1O2 (Niyogi,1999). Con assenza di stress luminoso o comunquecon un trasporto energetico ed elettronico equiparabilealla pressione fotonica in ingresso, il pH del lumentilacoidale è pari a 6,5 - 7 (Foyer e Harbinson, 1994).In queste condizioni la violaxantina (V), carotenoideappartenente alla famiglia delle xantofille, è legata alsito V1 del LHCII; la proteina PsbS, che funge da col-legamento tra il centro di reazione del PSII ed il com-plesso antenna, si trova allo stato deprotonato con unadeterminata conformazione spaziale. Nel lumen, inol-tre, la violaxantina de-epossidasi (VDE) è deprotona-ta, staccata dalla membrana tilacoidale (fig. 4a) equindi in uno stato inattivo (Ort, 2001). In condizionidi stress foto-ossidativo il pH nel lumen diminuiscepoiché la velocità di formazione di H+ è maggiore diquella di utilizzo (Niyogi et al., 2004). Si assiste, inprimo luogo, alla protonazione della proteina PsbSche cambia il suo assetto sterico (fig. 4b) ed in questanuova forma (primo stadio di Non Photochemical

Fig. 3 - Andamento giornaliero di (a) radiazionefotosinteticamente attiva (PAR) e temperatura dell’ aria, (b)

concentrazione intercellulare di CO2 (Ci) e (c) fotosintesi netta(ACO2) misurati su foglie di piante di pompelmo trattate (-Õ-) omeno (-•-) con caolino. Ogni punto rappresenta la media di 4-6repliche + s.e. Il tratteggio verticale indica il punto di massimairradianza giornaliera (Adattato da Jyfon e Syvertsen, 2003).

Fig. 3 - Daily Trends of (a) photosynthetically active radiation(PAR) and air temperature, (b) intercellular CO2 concentration

(Ci) and (c) net photosynthesis (ACO2) on grapefruit leaves treatedwith kaolin (-Õ-) and untreated (-•-). Each point is the average of4-6 replicates + s.e. The vertical dashed line labels the maximumirradiance during the day (Adapted from Jyfon e Syvertsen, 2003).


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Quenching) è capace di dissipare energia sottoformadi calore, sottraendola alla clorofilla singoletto(Morosinotto et al., 2003). L’incremento ulterioredella concentrazione di H+ nel lumen del tilacoidecomporta l’attivazione della violaxantina de-epossida-si (VDE) che, protonata, si lega alla membrana. Inqueste condizioni l’enzima opera due successive de-epossidazioni della violaxantina ad antheraxantina (A)e, successivamente, a zeaxantina (Z). Tale riduzionepuò avvenire grazie all’apporto elettronico dell’acidoascorbico che viene ossidato a monodeidroascorbato(MDA) attraverso la catalisi da parte della VDE. Ledue xantofille neoformate, a questo punto, possonoscalzare la violaxantina dal sito V1 e dissipare diretta-mente l’eccesso energetico tramite calore. Tuttavia lamaggiore quantità eliminata deriva dalla ri-emissioneenergetica sottoforma di calore da parte del complessoquencher zeaxantina e\o antheraxantina e proteinaPsbS (fig. 4c) che, avendo cambiato conformazione,

Ciclo delle xantofilleFig. 4 - (a) In condizioni di pressione fotonica non stressanti il pHdel lumen tilacoidale è pari a 6,5–7. La violaxantina (V) è legataal sito V1 del LHCII; la proteina a basso peso molecolare PsbS sitrova allo stato deprotonato con una determinata conformazione

spaziale. Nel lumen, la violaxantina de-epossidasi (VDE) èdeprotonata, staccata dalla membrana tilacoidale. (b) In condizioni

di stress foto-ossidativo il pH nel lumen diminuisce, la proteinaPsbS viene protonata e cambiando il suo assetto sterico è in gradodi dissipare calore. (c) L’incremento ulteriore della concentrazionedi H+ nel lumen del tilacoide attiva la VDE che, protonata, si legaalla membrana. L’enzima opera due successive de-epossidazionidella violaxantina ad anteraxantina (A) e zeaxantina (Z) grazie

all’apporto elettronico dell’acido ascorbico (AsA). Le duexantofille scalzano la violaxantina dal sito V1 dissipando

direttamente l’eccesso energetico. La maggior quantità di energiaviene dissipata dal complesso quencher zeaxantina e\oanteraxantina e proteina PsbS che si forma in virtù del

cambiamento conformazionale della proteina che diviene piùaffine ad A e Z.

Xantophyll cycleFig. 4 - (a) When the incoming light is not excessive the

thylakoidal lumen pH is about 6.5-7. violaxanthin (V) is bound atthe V1 site on LHCII and the low molecular weight protein (PsbS)

is in a de-protonated state with a particular structure. Theviolaxanthin de-epoxidase (VDE) is de-protonated and detached

from the thylakoidal membrane. (b) The lumen acidification,caused by the photon pressure increase, drives the PsbS

protonation that changes its structure enabling it to steal energyre-emitting heat. (c) A further trans-thylakoidal ∆pH increase

promotes the protonation of VDE which is bound to the thylakoidmembrane. VDE catalyzes two subsequent violaxanthin de-epoxidation forming antheraxanthin (A) and zeaxanthin (Z)

oxidizing the ascorbic acid (AsA). A and Z replace violaxanthin inthe V1 site re-emitting thermal energy. The highest thermal

dissipation is accomplished when A and/or Z are connected to theactivated PsbS protein forming a quenching super-complex.

Losciale et al.

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luteina epossido (Lx) la quale, attraverso la VDE,viene de-epossidata a luteina (L) avente lo stessoruolo della zeaxantina. La particolarità del ciclo Lx\Lrisiede nella minore affinità della ZE per la luteina,questo determina la debole reversibilità della reazioneper cui una protezione di fondo contro gli eccessienergetici (Matsubara et al., 2004).

Il ciclo delle xantofille, oltre ad esplicare la suafunzione protettiva, evidenzia un attivo dispendioenergetico in quanto usa equivalenti riducenti perrigenerare acido ascorbico e violaxantina. Tale perditarisulta essere comunque il male necessario che lapianta deve sopportare per proteggersi (Foyer eHarbinson, 1994).

Il quenching inibitorio (qI) può essere consideratoun meccanismo di protezione passiva in quanto i foto-sistemi inattivi riemettono l’energia assorbita sottofor-ma di calore. La quantità di energia dissipata dai PSIIdanneggiati è direttamente proporzionale alla quota diPSII inattivi (Chow, 1994; Losciale et al., 2008c).Alcune ricerche hanno evidenziato che inibendo tem-poraneamente la riparazione dei PSII, circa il 10-20%dei fotosistemi rimane attivo pur incrementando dura-ta ed intensità del flusso fotonico incidente (fig. 6). IPSII inattivi schermerebbero i sistemi funzionanti dal-l’eccesso energetico. In una condizione di mutuo van-taggio i fotosistemi attivi ripagherebbero tale prote-zione creando le condizioni di pH ottimale (i.e. evolu-zione dell’ossigeno) per l’attivazione degli enzimi chepresiedono alla riparazione dei fotosistemi (Chow etal., 2005).

La terza e ultima porzione del Non PhotochemicalQuenching è il qT, questa componente è di minoreimportanza nella fotoprotezione delle piante superiorie più rilevante nelle alghe (Müller et al., 2001).

Dissipazione fotochimica. La dissipazione fotochi-mica ha lo scopo di evitare l’intasamento dei fotosi-stemi attivando o accelerando trasporti elettronicialternativi che agiscono come valvola di sfogo in con-dizioni di eccesso energetico (Chow, 1994).• Trasporto ciclico sul Fotosistema I. La sua funzio-

ne principale sembrerebbe quella di garantire unsupplemento protonico nel lumen dei tilacoidinecessario per il funzionamento della pompaATPasi che genera ATP utilizzata nel ciclo diCalvin-Benson. La ferridossina ridotta, non poten-do cedere elettroni al NADP+ poiché indisponibile,li indirizza in un ciclo che si chiude con la cessio-ne degli elettroni nuovamente al P700 sul PSI (fig.7). Durante tale processo si ha la migrazione di 2H+ dallo stroma al lumen per ogni elettrone trasfe-rito aumentando, così, la forza protonmotrice(Joliot e Joliot, 2002). In condizioni di eccesso

diviene più affine alle due xantofille (Ort, 2001).Quando la pressione fotonica diminuisce, Z ed A ven-gono ri-epossidate a violaxantina attraverso la zeaxan-tina epossidasi (ZE), enzima legato alla membranatilacoidale dalla parte stromatica, questo epossida ledue xantofille spendendo equivalenti riducenti. La ZEè un enzima sempre attivo nelle condizioni stromati-che, per cui la sua attività non è limitante per il ciclodelle xantofille che dipende esclusivamente dalla atti-vità di VDE e dalla capacità di PsbS di cambiareconformazione, quindi, in definitiva, dal ∆pH transti-lacoidale. (Bouvier et al.,1996). Ogni evento chedetermina un incremento del ∆pH può contribuireall’innesco della dissipazione termica (Björkman eDemmig-Adams, 1994; Gilmore, 1997).

In melo l’aumento della densità di flusso fotonicoha determinato un decremento percentuale del conte-nuto di violaxantina sull’intero pool delle xantofille edun corrispettivo incremento della zeaxantina. Questoandamento è risultato simile per le foglie ed i frutti mapiù marcato in questi ultimi (fig. 5) che, non potendoutilizzare l’energia in ingresso per la fotosintesi,hanno maggiore necessità di liberarsene tramite dissi-pazione termica (Cheng e Ma, 2004).

In alcune piante tropicali un ulteriore contributo alqE è dato dalla presenza di altri pigmenti come la

Fig. 5 - Andamento giornaliero del contenuto percentuale, rispettoall’intero pool delle xantofille, di violaxantina (V) e zeaxantina

(Z) in frutti e foglie di melo cv Liberty. Ogni punto rappresenta lamedia di 4 repliche + s.e (Adattato da Cheng e Ma, 2004).

Fig. 5 - Daily pattern of the relative content of violaxanthin (V)and zeaxanthin (Z) on the entire xantophylls pool measured onapple leaves and fruits. Each point represents the average of 4

replicatez + s.e. (Adapted by Cheng and Ma, 2004).


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luminoso si ha un deficit di NADP+ disponibile adaccettare elettroni dalla ferridossina, per cui il tra-sporto ciclico viene potenziato al fine di evitare lacessione elettronica all’ossigeno. Si determina,così, una via alternativa per gli elettroni e, soprat-tutto, un abbassamento del pH nel lumen che inne-sca più velocemente il ciclo delle xantofille (Hebere Walker, 1992; Munekage et al., 2002).

• Water-Water cycle (W-W cycle). Ciclo così chia-mato poiché alla ossidazione dell’acqua in corri-spondenza del cluster che evolve ossigeno (OEC)a monte, corrisponde la formazione di acqua avalle del PSI; il ciclo acqua-acqua è detto anchereazione Meheler-perossidasi in quanto fonde i dueprocessi. Si stima, inoltre, esso riesca ad utilizzarecirca il 30% del flusso lineare degli elettroni(Asada, 1999). In condizioni di scarsa disponibilità

Fig. 6 - Decadimento della quantità relativa dei PSII funzionali infunzione della photon exposure (prodotto tra densità di flusso

fotonico e tempo di esposizione luminosa) misurato su dischettifogliari di peperone (Capsicum annuum L.) infiltrate con una

soluzione 1 mM di lincomicina. Tale sostanza inibisce lariparazione dei PSII che maschererebbe il reale danno. Il

trattamento luminoso è stato effettuato a 3 diverse densità diflusso (460, 900 e 1800 µmol m-2s-1) per differenti tempi di

esposizione (Chow et al., 2005).Fig. 6 - The decrease in the functional fraction of PS II with

increase in photon exposure (light intensity x time of exposuregiven to capsicum (Capsicum annuum L.) leaf discs floating on1mM of lincomycin solution able to inhibit the PSII recovery.

Light treatment was given at three irradiances, 460, 900 and 1800µmol m-2s-1 for various durations to vary the photon exposure

(Chow et al., 2005).

Trasporto ciclico sul PSIFig. 7 - La ferridossina ridotta (Fdx), non potendo cedere elettronial NADP+ poiché indisponibile, si ossida trasferendo gli elettroni

al Plastochinone (PQ) attraverso una riduzione transitoria delcitocromo b6f (Cytb6f). Con una sua successiva ossidazione il

Plastochinone cede gli elettroni alla Plastocianina (PC) che reagirànuovamente con il P700 chiudendo il ciclo. Durante tale processo siha la migrazione di 2H+ dallo stroma al lumen per ogni elettrone

trasferito.Cyclic transport around the PSI

Fig. 7 - When NADP+ is not available to receive more electronsthe ferredoxin (Fdx) reduces the plastoquinone (PQ) with a

transitory reduction of cytochrome b6f (Cytb6f). Furthermore PCreduces the plastocyanin (PC) and finally the electrons are

transferred again to the P700 closing the cycle. During the process2H+ for each electron migrate from the stroma to the thylacoid

lumen.

di NADP+, la ferridossina ridotta, oltre ad immet-tere elettroni nel trasporto ciclico sul PSI, può pre-ferenzialmente cederli all’ossigeno formando loione superossido (O2

-) secondo la reazione diMeheler. Essendo questa una specie tossica, lapianta, attraverso la fase perossidasica del ciclo, larende innocua trasformandola in una specie inatti-va: l’acqua (fig. 8). Il W-W cycle, oltre a permette-re il trasporto alternativo degli elettroni dall’acquaall’acqua, prevede la sottrazione di protoni dallostroma incrementando, così, il ∆pH transtilacoidalenecessario per la dissipazione termica (Asada,1999).

• Fotorespirazione. È ormai unanimemente accettatoche il processo fotorespiratorio non è un cicloparassita per la pianta, bensì un trasporto protetti-vo. Se si pensa che per fotorespirare una mole diossigeno e decarbossilare 0,5 moli di anidride car-bonica si spendono 4 elettroni, risulta essere chiaroche un’altra alternativa per scolmare gli eccessienergetici sia la fotorespirazione posta a valle deltrasporto elettronico. Il prezzo necessario da paga-re, tuttavia, è la perdita di CO2 carbossilata(Farquhar et al., 1980). Il meccanismo di fotorespi-razione sembrerebbe assumere una maggioreimportanza in condizioni di conduttanza stomaticasub-ottimali, in quanto la fotosintesi, ulteriore

Losciale et al.

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meccanismo di dissipazione energetica, risultaessere in parte inibita (Galmés et al., 2007).Scavenging. Il fotodanno è un rischio così ricor-

rente da costringere la pianta ad adattarsi attraversovari sistemi che, come un filtro, cercano di recuperarele reciproche mancanze (fig. 9). Se l’espulsione ener-getica prima dell’ingresso nel core complex del PSII(qE) si dimostra parzialmente efficace, la pianta sop-perisce attraverso i trasporti elettronici alternativi cheevitano la formazione di specie reattive dell’ossigeno.Purtroppo non tutti gli elettroni sono intercettati percui si ha una minore, ma pur sempre pericolosa, for-mazione di ROS. È in questo comparto che si colloca-no le molecole scavenger aventi, appunto, il ruolo didetossificare tali agenti ossidanti (Asada, 1994). Ilprimo scavenger, per abbondanza e molteplicità difunzioni, è l’acido ascorbico (AsA), presente in granquantità all’interno dei cloroplasti, sede dei maggioridissesti dovuti all’eccesso luminoso. L’AsA è diretta-mente coinvolto nel ciclo delle xantofille, nel Water-Water cycle come donatore di elettroni, nella rigene-razione dei tocoferoli e nello scavenging diretto di1O2, O2

- e OH. (Smirnoff, 1996). La ricostituzionedell’AsA risulta essere, perciò, fondamentale viste lesue numerose attività. Accanto alla sua diretta ridu-zione da MDA ad AsA da parte della ferridossinaridotta, la pianta ha evoluto un ciclo appropriato perla rigenerazione dell’AsA. Il ciclo glutatione-ascorba-to, oltre a svolgere il ruolo di ricostitutore dell’acido

Water-Water cycleFig. 8 - La Ferridossina ridotta (Fdx) può cedere gli elettroni preferenzialmente all’ossigeno formando lo ione superossido (O2

-) secondo lareazione di Meheler (a). Una superossido dismutasi (SOD), posta sulla parte stromatica della membrana, dismuta O2

- in H2O2 sottraendodue protoni allo stroma; successivamente l’ascorbato perossidasi trans-membrana (t-Apx) riduce H2O2 ad H2O alle spese dell’acido

ascorbico (AsA) ossidato a mono de-idroascorbato (MDA), seguendo la fase perossidasica del Water-Water cycle (b).Water-Water cycle

Fig. 8 - Ferredoxin(Fdx) can reduce oxygen forming the super-oxide ion (O2-) according to the Meheler reaction (a). A super-oxide

dismutase (SOD) placed in the stroma side of the thylacoid membrane promotes the H2O2 formation taking 2H+ from the stroma.Afterwards the trans-membrane ascorbate peroxidase (t-Apx) catalyzes the H2O2 reduction to water oxidizing the ascorbic acid (AsA) to

mono de-hydro ascorbate (MDA) closing the peroxidasic step of the cycle(b .

Fig. 9 - Rappresentazione delle diverse vie di foto-ossidazione,foto-protezione ed utilizzo della energia radiante assorbita dalle

foglie.Fig. 9 - The picture depicts the several pathways of photo-damage, photo-protection and utilization of the absorbed

radiative energy.

ascorbico risulta essere un ciclo scavenger, poichédetossifica lo ione superossido (O2

-), un generatore di∆pH transtilacoidale, in quanto sottrae H+ dallo stro-ma, ed un ulteriore trasportatore alternativo di elettro-ni, visto che gli elettroni in gioco sono forniti dalNADPH(H+) reso disponibile per una nuova riduzio-ne. Il glutatione inoltre, è scavenger diretto di 1O2,OH. e protegge i gruppi tiolici degli enzimi dello stro-ma (Noctor e Foyer, 1998). I tocoferoli, coinvolti


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direttamente nella inattivazione di 1O2, O2-, OH.,

risultano essere liposolubili, per cui riescono a pene-trare nelle membrane proteggendole dalla perossida-zione (Foyer et al., 1994). Le ultime specie scavengerprese in considerazione sono i carotenoidi. Nel LHCIIsi riscontra la presenza di xantofille, tra l’altro sca-venger dirette della 3Chl e del 1O2 , e di bcarotene,scavenger di 1O2 (Külbrandt et al., 1994), mentre nelcore complex del PSII non si evidenzia la presenza dixantofille, molto affini al LHCII presumibilmente perla maggiore presenza di clorofilla b, ma solo di bcaro-tene (Telfer et al., 1994).

RiparazioneLa complessa macchina foto-protettiva riesce a

ridurre la fotoinibizione, tuttavia il foto-danno nonpuò essere evitato. A tal proposito gli studi effettuatidimostrano una particolare predilezione al danneggia-mento della proteina D1 del PSII (Aro et al., 1993).La motivazione risiede, innanzitutto, nella posizionestrategica della proteina all’interno del PSII. La D1,infatti, si trova tra il complesso che evolve ossigeno(OEC) ed il LHCII, in una zona, cioè, ricca di 3Chl edossigeno: miscela perfetta per la formazione di ROS.La distruzione mirata, però, è utilizzata per evitare ildanneggiamento diffuso dovuto alla presenza dimolecole di clorofilla incontrollate che, eccitate, pos-sono distruggere il loro intorno molecolare (Krieger-Liszkay, 2005); inoltre la pianta ha sviluppato unsistema efficace, efficiente ed altamente conservatoper la rapida rimozione e ricostituzione della proteinaD1 (Chow e Aro, 2005). Piante poste in condizioniottimali difficilmente mostrano una riduzione nettadell’attività dei PSII, non tanto per l’assenza di fotoi-nibizione ma per l’efficienza del sistema di riparazio-ne che può essere considerato una delle principalistrategie fotoprotettive (Anderson et al., 1997).

L’inattivazione dei PSII non è strettamente legataall’alta irradianza bensì alla dose di luce intercettata(photon exposure), ossia il prodotto tra densità diflusso e tempo di esposizione. Inibendo la riparazionedella D1 è stato possibile valutare il foto-danno realealtrimenti mascherato (Aro et al., 1994). La quantitàdi PSII attivi si riduce con l’aumento della photonexposure, seguendo una funzione esponenziale nega-tiva, secondo la legge della reciprocità (Jones e Kok,1966; Park et al., 1995; Lee et al., 1999) che affermache si può rilevare lo stesso fotodanno diminuendol’intensità luminosa ed aumentando il tempo di espo-sizione e viceversa (Chow et al., 2005). Esperimenticondotti allo scopo di valutare il tasso di inattivazionedei PSII per mole di fotoni incidenti hanno rivelatoche esso è relativamente basso, dell’ordine di 0,1

µmol PSII mol-1fotoni, ma a causa dell’alto numero difotoni incidenti nell’arco di un’intera giornata assolatae al basso numero di fotosistemi (~1 µmol PSII m-2),il fenomeno della foto-inattivazione coinvolge la mag-gior parte dei PSII (Chow e Aro, 2005).

Il processo di riparazione è molto specifico, solo laparte compromessa è ricostituita mentre il resto dellesub-unità nel complesso viene riciclato, e consta didiversi aspetti chiave (Komenda e Barber, 1995):• alterazione del trasporto degli elettroni dovuta al

danno al PSII ;• individuazione di un cambiamento conformaziona-

le che segnala la necessità di eliminare la partedanneggiata;

• monomerizzazione del PSII e parziale disassem-blaggio degli stessi monomeri al fine di permetterel’accesso alla subunità danneggiata;

• degradazione e neosintesi della nuova proteina D1;riassemblaggio.Le stesse molecole compromesse sembrano rivesti-

re il ruolo di messaggeri per l’attivazione del genepsbA deputato alla neosintesi della proteina D1(Lindhal et al., 2000), mentre la degradazione delleparti danneggiate è affidata alle proteasi FtSH (fig.10a). Queste ultime sono legate alla membrana tila-coidale formando un anello esamerico transmembra-na. La D1 danneggiata è guidata attraverso questocanale con un processo ATP dipendente e, successiva-mente, degradata nella parte stromatica tramite lacatalisi da parte del gruppo prostetico contenentezinco della FtSH (fig. 10b).

La pianta, quindi, spende energia non solo per laneosintesi di D1 ma anche per la sua rapida degrada-zione allo scopo di riparare i danni il più velocemente

Fig. 10 - Struttura monometrica (a) ed esamerica (b) dellaproteina FtsH delegata alla digestione della proteina D1

danneggiata. La proteina passa attraverso l’anello esamerico peressere degradata nello stroma con il dispendio di energia (Nixon

et al., 2005).Fig. 10 - FtsH protease monomeric (a) and esameric structure

(b). The damaged protein transits across the trans-membrane ringto be degraded in stroma by the FtsH prosthetic group with

energy expense (Nixon et al., 2005).

Losciale et al.

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possibile (Nixon et al., 2005). La strategia di rimozio-ne e riparazione dei danni, di vitale importanza per lespecie vegetali, ha indubbiamente dei costi che ricado-no sull’efficienza di carbossilazione netta del sistemafotosintetico. Studi condotti sulla specie di algaAnacystis nidulans 625 (Synechococcus 6301) hannoprospettato l’ipotesi che le cellule in condizioni distress da fotoinibizione, per mantenere la massimacapacità fotosintetizzante, debbano indirizzare piùenergia alla riparazione dei fotosistemi piuttosto chead altri processi metabolici (Raven e Samuelsson,1986).

Fotodanno e fotoprotezione: metodologie di misura

Accanto alle metodologie biochimiche utilizzateper il dosaggio dell’attività enzimatica e la determina-zione della concentrazione delle principali molecoleimplicate nei meccanismi fotoprotettivi e foto-ossida-tivi, la tecnica senza dubbio più utilizzata, anche per-ché applicabile in vivo, è la misura della fluorescenzadella clorofilla con luce modulata (Govindjee, 1995;Krause e Weis, 1991; Maxwell e Johnson, 2000).Inducendo la clorofilla ad emettere energia tramitefluorescenza ed avendo a disposizione una strumenta-zione in grado di leggere tale emissione, è possibilediscriminare le varie destinazioni dell’energia radiantecaptata. Il fluorimetro è costituito, essenzialmente dauna sorgente luminosa modulabile, un detector ingrado di misurare l’energia riemessa dalla clorofillasottoforma di fluorescenza ed un camera di assimila-zione fogliare connessa alla fonte di luce ed al detec-tor tramite fibra ottica in modo da trasmettere l’impul-so luminoso modulato alla foglia e la fluorescenzaemessa al detector.

I protocolli utilizzati per misurare i diversi parame-tri di fluorescenza possono essere molteplici; usual-mente, la prima misura viene effettuata su foglie adat-tate al buio o in prossimità dell’alba (pre-dawn) quan-do i rilievi sono eseguiti in pieno campo. In questomomento il sistema fotosintetico è in uno stato di“rilassamento” ovvero tutti i componenti dei fotosiste-mi sono riparati ed il chinone A (QA) è in condizionedi massima ossidazione poiché nessun elettrone giun-ge dalle clorofille a monte. Viene fornito alla foglia unimpulso a bassa intensità (0,1-0,5 µmol fotoni m-2 s-1).In queste condizioni i pochi fotoni eccitano le clorofil-le del LHCII e l’energia è trasportata fino al P680 ilquale subisce una separazione di carica e cede un elet-trone alla feofitina che, a sua volta, riduce il QA; que-sto, essendo completamente ossidato, è disponibile adaccettare elettroni. Il trasporto elettronico avviene in10-12s e quindi risulta essere termodinamicamente più

vantaggioso dell’emissione di fluorescenza che, aparità di energia dissipata, si realizza in circa 10-8 -10-9s. Il dato di fluorescenza misurato, Fo, rappresentala fluorescenza minima con foglia adattata al buio edil suo significato fisiologico consiste nel livello difluorescenza emesso dalla clorofilla quando QA èmassimamente ossidato ed i centri di reazione delPSII sono completamente “aperti”. A questo punto,viene somministrato un impulso saturante, ovvero unflash di luce di durata inferiore al secondo con unadensità di flusso maggiore di 6.000 µmol fotoni m-2 s-1, che determina un ingorgo energetico nei sistemi.L’energia in ingresso risulta essere eccessiva rispettoalla capacità di cessione del QA agli accettori succes-sivi, per cui il chinone si trova in uno stato sovra-ridotto, non disponibile ad accettare altri elettroni. Iltrasporto fotochimico è bloccato, per cui le uniche duevie per la dissipazione energetica sono il calore e lafluorescenza. Si registra infatti una emissione di fluo-rescenza, Fm, più elevata di Fo. Fm è la fluorescenzamassima con foglia adattata al buio e rappresenta illivello di energia emesso dalla clorofilla quando QA ècompletamente ridotto ed i centri di reazione sono“chiusi”. La differenza tra Fm e Fo, standardizzata perFm [(Fm-Fo)/Fm) = Fv/Fm], rappresenta la massimaefficienza fotochimica del fotosistema, cioè la massi-ma quantità di energia che la clorofilla è in grado dicaptare e che potenzialmente potrebbe essere usataper la fotosintesi. Per foglie in condizioni ottimaliFv/Fm è di circa 0,8 - 0,85; valori più bassi indicano lapresenza di danni all’interno del PSII o, comunque, unnon completo rilassamento del sistema durante lanotte (Baker e Rosenqvist, 2004; Maxwell e Johnson,2000). La diminuzione di Fv/Fm può dipendere da unabbassamento di Fm o da un incremento di Fo. Ilprimo caso può essere interpretato come l’incapacitàdel PSII di captare la stessa quantità di energia radian-te, probabilmente a causa della rottura della proteinaD1 (Govindjee, 1995; Maxwell e Johnson, 2000).L’aumento di Fo è determinato da una bassa capacitàdel QA di cedere elettroni al secondo accettore QB,non adducibile ad un eccesso di luce visto che la den-sità di flusso somministrata è minima. L’incrementoè, probabilmente, derivato dal distacco di una porzio-ne del PSII. Alcuni autori riconducono questo feno-meno ad un meccanismo di protezione ulteriore cheevita il raggiungimento del surplus energetico al corecomplex del PSII; altri ricercatori attribuiscono questoincremento ad un effettivo danno che determina ildistacco delle due parti del PSII. Tale dissesto, ocomunque tale evento, risulta essere più ricorrente incondizioni di alta temperatura (Yamane et al., 2000).

Dopo aver effettuato le misure di massima effi-


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cienza fotochimica al buio viene fornita luce attinicatramite fibra ottica o direttamente utilizzando la lucesolare. Lo strumento registra un primo picco di fluo-rescenza: il sistema fotosintetico si trova nel cosiddet-to stato di “fotoattivazione”. In questo momento,infatti, si ha un movimento di energia che determinal’eccitazione del P680 e la cessione di una carica nega-tiva alla feofitina. Il cluster per l’evoluzione dell’ossi-geno (OEC) però è ancora staccato dal PSII, per cuigli elettroni persi dal P680 non possono essere rim-piazzati. La molecola rimane in uno stato eccitato edissipa energia tramite fluorescenza. Appena il clu-ster si lega la fluorescenza diminuisce, sintomo di untrasporto energetico lungo i fotosistemi, termodinami-camente più vantaggioso della fluorescenza.L’emissione misurata in questo momento è detta Fs,energia restituita dal PSII in una condizione di adatta-mento alla luce. Quando Fs raggiunge valori costantiviene somministrato un altro impulso saturante chepermette l’ottenimento di Fm’: fluorescenza massimacon foglia adattata alla luce. Anche in questo casol’impulso saturante ha determinato una sovra-riduzio-ne del QA per cui l’energia non può più essere dissi-pata fotochimicamente ma tramite fluorescenza ecalore. Fm’ è, di norma, più basso di Fm e ciò vuol direche una parte di energia non emessa come fluorescen-za viene persa tramite la via termodinamicamente piùvantaggiosa: il calore. La differenza tra Fm e Fm’,standardizzata per Fm’ [(Fm-Fm’)/Fm’] è chiamata NPQe rappresenta la quota parte della massima energiacaptata dalla clorofilla (Fv/Fm) dissipata tramite caloreattraverso il ciclo protettivo delle xantofille, e daiPSII danneggiati che sono anch’essi in grado di cede-re calore. NPQ, quindi, è composto essenzialmente daun fattore derivante da un meccanismo protettivo eduno determinato dalla vera e propria distruzione deicomplessi fotosintetici. Infine viene spenta la luceattinica fornendo luce nel rosso lontano (30 µmolfotoni m-2 s-1 a 720-730 nm per 4 secondi), consenten-do l’attivazione preferenziale del PSI ed il completorilassamento del PSII. La fluorescenza misurata inpresenza di luce nel rosso lontano (Fo’) è la fluore-scenza minima con foglia adattata alla luce. Questotermine non sempre è uguale a Fo pur conservando lostesso significato fisiologico. Il rapporto (Fm’-Fo’)/Fm’,massima efficienza fotochimica del PSII con fogliaadattata alla luce, rappresenta la quantità di energiache resta nel core complex del PSII e che potenzial-mente potrebbe essere usata per la fotosintesi. La dif-ferenza Fs-Fo’, standardizzata per Fm’ [(Fs-Fo’)/Fm’]indica la quantità di energia che entra nel core com-plex del PSII ma non lo attraversa e quindi potrebbeessere utilizzata per formare ossigeno singoletto o per

alimentare trasporti alternativi come il ciclo glutatio-ne-ascorbato (Demmig-Adams et al., 1996). ψPSII[(Fm’-Fs)/Fm’], infine, è l’effettiva quantità di energiache attraversa il centro di reazione del PSII, destinataalla RuBisCO, per la fotosintesi e la fotorespirazione,ed ai trasporti alternativi in uscita dai fotosistemi (fig.11a) quali il Water-Water cycle, trasporto ciclico sulPSI e ciclo glutatione-ascorbato (Baker e Rosenqvist,2004; Genty et al., 1989; Govindjee, 1995; Maxwell eJohnson, 2000). Conoscendo il valore di ψPSII è inol-tre possibile determinare la velocità di trasporto elet-tronico in uscita dal PSII (ETR). In particolare ETRrisulta essere uguale a ψPSII x PPFDx x 0,5, dovePPFD è la densità di flusso fotonico incidente, è l’as-sorbanza della foglia (circa 0,84 - 0,86, Krall eEdwards, 1992; Schultz, 1996) e 0,5 tiene conto delfatto che vengono utilizzati due fotoni (uno per ognifoto sistema) per muovere un elettrone (Genty et al.,1989).

Le misure di fluorescenza modulata permettono,altresì, la possibile scomposizione del NPQ nelle suedue componenti principali: quenching da ciclo dellexantofille e da fotosistema distrutto. Alcuni ricercatorihanno dimostrato che mettendo la foglia al buio dopoil secondo impulso saturante (Fm’) si ha una velocericonversione della antheraxantina e/o zeaxantina inviolaxantina con la conseguente riduzione della dissi-pazione termica, mentre la riparazione dei fotosistemirisulta avere dei tempi più lunghi (Baker eRosenqvist, 2004; Maxwell e Johnson, 2000; Mülleret al., 2001). Dopo aver determinato NPQ totale lafoglia viene posta al buio in modo che la VDE vengainattivata ed il qE si riduca. Ad intervalli di temporegolari vengono lanciati impulsi saturanti determi-nando il valore di Fv/Fm; man mano che il sistemafotosintetico si adatta al buio aumenta la sua efficien-za massima fotochimica e diminuisce NPQ. La mediadei valori di NPQ registrati nei primi 5-6 minuti (qE)rappresenta la quantità di energia dissipata dal ciclodelle xantofille ed è la parte preminente del NPQ tota-le. NPQ rilevato dopo 40-60 minuti (qI) indica, inve-ce, l’energia persa tramite calore a causa della nonrepentina riparazione dei centri fotosintetici (fig. 11b);questa componente, in natura, risulta essere moltobassa in quanto i fotosistemi vengono continuamenteriparati (Chow e Aro, 2005).

L’analisi della fluorescenza secondo i parametrianalizzati consente di ottenere informazioni qualitati-ve circa lo stato dei sistemi fotosintetici, tuttavia risul-ta essere difficile valutare la quantità relativa di ener-gia impiegata in ogni meccanismo dissipativo o foto-inibitorio. Diversi approcci per la ripartizione energe-tica (quenching partitioning) sono stati proposti

Losciale et al.

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Principali parametri ottenuti attraverso misure di fluorescenza modulata e loro significato.Fig. 11 - (a) Un impulso a bassa intensità viene fornito alla foglia (MB). Il dato di fluorescenza misurato, Fo, rappresenta la fluorescenza

minima di una foglia adattata al buio. Viene somministrato un impulso saturante (SP) registrando una emissione di fluorescenza, Fm,fluorescenza massima di una foglia adattata al buio. (Fm-Fo)/Fm = Fv/Fm, rappresenta la massima efficienza fotochimica dei PSII.

Successivamente viene fornita luce attinica (AL) e dopo un primo stato di “fotoattivazione” l’emissione di fluorescenza raggiunge unostato stazionario, Fs. A questo punto viene somministrato un altro impulso saturante che permette l’ottenimento di Fm’, fluorescenza

massima di una foglia adattata alla luce. (Fm-Fm’)/Fm’ (NPQ) rappresenta la quota parte della massima energia captata dalla Clorofilladissipata tramite calore attraverso il ciclo protettivo delle xantofille e dai PSII danneggiati. Fornendo solo luce nel rosso lontano vienemisurato Fo’, fluorescenza minima di una foglia adattata alla luce. (Fm’-Fo’)/Fm’ = Fv’/Fm’, massima efficienza fotochimica del PSII con

foglia adattata alla luce, rappresenta la quantità di energia che resta nel core complex del PSII mentre (Fs-Fo’)/Fm’ indica la quota di energiache entra nel core complex del PSII ma non lo attraversa. (Fm’-Fs)/Fm’ (ψPSII), infine, è l’effettiva frazione energetica che attraversa il

centro di reazione del PSII, destinata alla Rubisco, per la fotosintesi e la fotorespirazione, ed ai trasporti alternativi in uscita dai fotosistemi(Adattato da Maxwell e Johnson, 2000). (b) Inattivazione del ciclo delle xantofille in seguito a incubazione al buio delle foglie. Ladifferenza tra la massima efficienza quantica misurata su campioni non fotoinibiti (FV/FmM) e quella ottenuta dopo un trattamento

potenzialmente fotoinibitorio (FV/Fm) rappresenta la quantità di energia dissipata termicamente dai PSII danneggiati.qI= quenching inibitorio; qT= quenching di transizione; qE= quenching protettivo energetico (Adattato da Müller et al., 2001).

Principals calculated parameters obtained by modulated chlorophyll fluorescence and their meaningFig. 11 - (a) A low intensity light pulse (MB) is supplied to the leaf, the measured fluorescence (Fo) represents the minimum chlorophyllfluorescence in dark adapted conditions. At this time a short saturating pulse (SP) is flashed and the increased chlorophyll fluorescence(Fm) recorded is the maximum fluorescence of dark-adapted leaves. (Fm-Fo)/Fm = Fv/Fm is the maximum quantum yield of PSII. Once themaximum quantum yield is measured, actinic light (AL) is supplied and after a first “photo-activation” state the fluorescence signal (Fs)reaches a steady and the Fs value is recorded. A further saturating pulse is furnished obtaining a fluorescence peak Fm’: maximum

fluorescence in light-adapted condition. Fm-Fm’)/Fm’ is called Non Photochemical Quenching (NPQ) and represents the amount of energytrapped by Chlorophyll and quenched by thermal dissipation associated with inactivated PSII and promoted by the photo-protective Non

Photochemical Quenching via the xanthophyll cycle. Finally the actinic light is turned off and only far red light is supplied. Thefluorescence recorded in presence of far red (Fo’) is the minimum fluorescence with light-adapted leaves. (Fm’-Fo’)/Fm’ = Fv’/Fm’ is the

PSII maximal photochemical efficiency in light adaptation condition and represents the energy amount entering into the PSII corecomplex. ψPSII (1-Fs/Fm’) is the effective photochemical efficiency of PSII and represents the energy effectively going through PSII and

used for photosynthesis, photorespiration and the alternative transports. (Fs-Fo’)/Fm’ represents the energy trapped in PSII but not exitingfrom it. (Adapted from Maxwell and Johnson, 2000).

(b) Xanthophyll cycle inactivation after leaf dark adaptation. The difference between the maximum quantum yield of not photoinhibitedsamples (FV/FmM) and the maximum quantum yield after a potential photoinhibitory treatment (FV/Fm) represents the energy amount

dissipated by damaged PSII as heat. qI = Inhibitory quenching; qT = Transition quenching; qE = Energy quenching.(Adapted from Müller et al., 2001).

(Cailly et al., 1996; Demmig-Adams et al., 1996;Kramer et al., 2004; Kornyeyev e Hendrickson,2007); inoltre, associando l’analisi della ripartizioneenergetica a misure di scambio gassoso è stato possi-bile valutare la quantità di energia assoluta e relativautilizzata nella fotoinibizione, dissipazione termicaprotettiva, trasporti elettronici alternativi, fotorespira-zione ed effettiva fotosintesi (Losciale et al., 2008a;Losciale et al., 2008d).

Casi e cause di foto-ossidazione e fotoprotezione

Lo stress foto-ossidativo è determinato, essenzial-mente, da una insufficiente velocità di utilizzo di tuttal’energia in ingresso dovuta ad un eccesso luminosoe/o ad una debole capacità di trasporto fotonico edelettronico.

Stress idrico e salino possono innescare fenomenidi fotoinibizione e/o fotoprotezione, poiché la piantarisponde con la chiusura degli stomi evitando ulterioriperdite di acqua ma limitando l’ingresso di CO2. Siviene così a determinare una riduzione dell’attività


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fotosintetica della RuBisCO, inficiando uno dei tra-sporti elettronici deputati a controbilanciare la pres-sione fotonica in ingresso (Baker e Rosenqvist, 2004).Sottoponendo piante di vite a gradi crescenti di stressidrico, è stata riscontrata una conseguente riduzionedella conduttanza stomatica e quindi un decrementodella fotosintesi netta, dovuta al minor ingresso dianidride carbonica. Al diminuire della conduttanzastomatica da 0,5 mol H2O m-2 s-1 fino a valori criticidi 0,1 mol H2O m-2 s-1, i parametri ETR e NPQ nonhanno mostrato variazioni significative, suggerendoche in condizioni di stress idrico le piante in provanon hanno evidenziato un trasferimento energeticodalla dissipazione fotochimica a quella termica (figg.12a-b). L’energia dedicata al trasporto elettronico èrimasta la medesima, tuttavia una quantità più bassa èstata destinata alla fotosintesi, (fig. 12c) ed una mag-giore aliquota è stata allocata ai diversi trasporti alter-nativi quali Water-Water cycle, trasporto ciclico sulPSI, ciclo glutatione-ascorbato e fotorespirazione.Solo valori di conduttanza inferiori a 0,1 mol H2O m-2

s-1 hanno indotto un dirottamento energetico dal tra-sporto elettronico verso la dissipazione non fotochi-mica (Flexas et al., 2002).

Temperature elevate possono avviare processi ini-bitori e/o protettivi; con valori superiori ai 35 °C,infatti, si assiste all’inattivazione del PSII ed alladisorganizzazione dei centri di reazione (Havaux,1993). In Florida, piante di pompelmo trattate concaolino, allo scopo di ridurre l’energia in ingresso neifotosistemi, hanno evidenziato temperature fogliaripiù basse rispetto al controllo, soprattutto nelle ore dimassima irradianza (fig. 13a). Attraverso misure difluorescenza effettuate ogni ora adattando preventiva-mente le foglie al buio per 30 minuti, si è potuto evi-denziare che all’aumentare della temperatura fogliarela massima efficienza quantica del PSII (Fv/Fm) èdiminuita e la percentuale di fotosistemi inibiti èaumentata in entrambe le tesi, con valori più accen-tuati nella tesi di controllo (figg. 13b-c). In questocaso il calo di Fv/Fm è stato determinato da un aumen-to di Fo (fig. 13d), segno di una mancata ossidazionedel QA a causa di un distacco fisico dei componentidel PSII (Jifon e Syvertsen, 2003). Come già anticipa-to, questo comportamento, le cui cause sono ancoramolto dibattute nel mondo scientifico, può essereattribuito ad un meccanismo protettivo ma più verosi-milmente al fotodanno del PSII.

Le carenze nutrizionali potrebbero essere la causadi un eventuale rallentamento del trasporto elettroni-co, determinando la costipazione dei centri fotosinte-tici. L’azoto, ad esempio, è parte integrante delle clo-rofille e soprattutto della RuBisCO; un suo deficit

Fig. 12 - Andamento di (a) velocità di trasporto elettronico (ETR),(b) Non Photochemical Quenching (NPQ), (c) fotosintesi netta

(AN) in piante di Vitis vinifera L. a diversi regimi irrigui ed aventidifferenti conduttanze stomatiche. Ogni punto rappresenta la

media di 6 repliche (Adattato da Flexas et al., 2002).Fig. 12 - Trends of the(a) electronic transport rate (ETR), (b) Non

Photochemical Quenching (NPQ), (c) net photosynthesis (AN)measured on grapevine leaves with decreasing stomatal

conductance. Each point represents the average of 6 replicates(Adapted from Flexas et al., 2002).

Losciale et al.

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riduce l’attività totale della RuBisCO e quindi la velo-cità dei processi di carbossilazione e fotorespirazionecon una conseguente congestione del sistema (Evans,1996). Piante di melo cv Fuji aventi foglie con diverse

Fig. 13 - Andamento giornaliero di (a) differenza tra temperaturafogliare e dell’aria, (b) efficienza fotochimica massima (Fv/Fm),(c) percentuale di fotoinibizione e (d) fluorescenza minima di

foglie adattate al buio (Fo) in piante di pompelmo trattate o menocon caolino. Ogni punto rappresenta la media di 4-10 repliche +

s.e. (Jifon e Syvertsen, 2003).Fig. 13 - Daily pattern of (a) leaf to air temperature difference),

(b) maximum quantum yield (Fv/Fm), (c) photo-inhibitionpercentage and (d) minimal fluorescence of darkadapted leaves

(Fo) measured on grapefruit plants sprayed with kaolin anduntreated. Each point is the average of 4-10 replicates + s.e.

(Jifon e Syvertsen, 2003).

concentrazioni di azoto, sottoposte a luce saturante di1.550 µmol fotoni m-2 s-1, non hanno evidenziato dif-ferenze per quanto riguarda il valore di Fv/Fm, sempresuperiore a 0,8. In carenza di azoto, quindi, un eccessorelativo di luce non ha determinato, nel breve periodo,un fotodanno irreversibile del sistema. Per quantoriguarda i parametri ψPSII e NPQ, la riduzione diazoto nelle foglie ha causato la deviazione dell’ener-gia radiante captata dal trasporto fotochimico verso ladissipazione termica (fig. 14), evitando danni al siste-ma fotosintetico (Cheng et al., 2000). Anche il ferroassume una funzione rilevante, infatti è implicatonella sintesi della clorofilla e rientra come gruppo pro-stetico in molti trasportatori elettronici del sistemafotosintetico; una sua carenza rende più difficoltosa lacorretta dissipazione energetica (Miller et al., 1995).Piante di Vitis labrusca Bailey, aventi differenti con-centrazioni di ferro attivo nelle foglie, non hannomostrato alcuna variazione di Fv/Fm, sempre intorno aivalori ottimali, dimostrando che nel breve periodo lacarenza di ferro non ha provocato un fotodanno per-manente. Irradiando le piante con luce attinica satu-rante (circa 1.800 µmol fotoni m-2 s-1 ) si è riscontratoun decremento di ψPSII con valori proporzionali allaconcentrazione di ferro nelle foglie, mentre NPQ eFv’/Fm’ sono rimasti costanti. Solo alla concentrazionepiù bassa si è registrato un rapido incremento di NPQed un corrispondente calo di Fv’/Fm’ (fig. 15). La quotaparte di energia dedicabile in parte alla RuBisCO(ψPSII) è diminuita, mentre quella allocata per la dis-sipazione fotochimica (Fv’/Fm’) e termica sono rimastecostanti, sintomo della maggior attivazione dei tra-sporti alternativi anziché del dirottamento di energiaal NPQ. La determinazione dell’attività enzimatica edella concentrazione delle molecole implicate nelciclo glutatione-ascorbato e nello scavenging generaleha confermato ciò che si era evidenziato con le misuredi fluorescenza, ossia un andamento inversamenteproporzionale alla quantità di ferro attivo nelle foglie(figg. 16-17). Solo quando le condizioni di ferro-carenza sono divenute massicciamente critiche, lepiante hanno destinato il surplus energetico verso ilNon Photochemical Quenching (Smith e Cheng,2005).

Condizioni fisiologiche particolari quali ambientedi crescita, carico produttivo o tipologia di portainne-sto, possono determinare diversi tassi di utilizzo del-l’energia radiante in ingresso con conseguenti riper-cussioni sulla fotoinibizione e/o sui meccanismi foto-protettivi. Prove condotte su actinidia cv Haywardhanno evidenziato una diminuzione dell’efficienza ditrasporto elettronico in uscita dal PSII (ψPSII) ed uncorrispettivo incremento di NPQ all’aumentare del


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Fig. 14 - Variazione dei principali parametri di fluorescenza in funzione delle diverse concentrazioni di azoto in foglie di melo cv Fujisottoposte ad irradianza di circa 1.550 µmol m-2s-1. (a) massima efficienza quantica dei PSII (Fv/Fm), (b) dissipazione termica (NPQ), (c)

massima efficienza fotochimica dei PSII in condizioni di adattamento alla luce (Fv’/Fm’), (d) efficienza quantica effettiva dei PSII (ψPSII),(e) frazione energetica intrappolata nel PSII (Fs-Fo’)/Fm’ (Adattato da Cheng et al., 2000).

Fig. 14 - Chlorophyll fluorescence parameters in relation to N content in apple leaves cv Fuji, at irradiance of about 1550 µmol m-2s-1. (a)maximum quantum yield of PSII (Fv/Fm), (b) Non Photochemical Quenching (NPQ), (c) PSII maximal photochemical efficiency in lightadaptation condition (Fv’/Fm’), (d) effective photochemical efficiency of PSII (ψPSII), (e) energy fraction trapped in PSII (Fs-Fo’)/Fm’(Adapted from Cheng et al., 2000).

flusso energetico in arrivo. Inoltre piante allevate adirradianza elevata (circa 1.100 µmol fotoni m-2 s-1)hanno mostrato un ψPSII più alto di altre allevateall’ombra (250 µmol fotoni m-2 s-1), sintomo di unmaggior adattamento e capacità di utilizzo dell’ener-gia luminosa. Di contro NPQ è risultato più elevatonelle piante d’ombra (fig. 18), poco adattate alla luce,ed indotte a proteggersi maggiormente attraverso ladissipazione termica (Greer e Halligan, 2001).

Anche diverse intensità di carico produttivopotrebbero determinare effetti sull’utilizzo dell’ener-gia radiante in ingresso. I frutti risultano essere il prin-cipale sink dei prodotti della carbossilazione.

Abbassando il numero dei frutti il tasso di carbossila-zione netta tende a diminuire, secondo la teoria dell’i-nibizione da prodotto finale. Dovendo eliminare l’e-nergia in eccesso non più utilizzata per la fotosintesitutti i meccanismi di protezione e fotoinibizione ven-gono enfatizzati. In pesco cv ‘Stark Red Gold’, larimozione dei frutti ha determinato la riduzione dellafotosintesi netta ed un sensibile incremento del dannofoto-ossidativo. Tale risposta è stata osservata quandola riparazione della proteina D1 è stata bloccata inmodo tale che la neo-sintesi della proteina nonmascherasse il reale danno ed il processo di riparazio-ne non de-costipasse il sistema usando i prodotti della

Losciale et al.

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Fig. 15 - Andamento dei principali parametri di fluorescenza in funzione delle diverse concentrazioni di ferro attivo in foglie di Vitislabrusca Bailey sottoposte ad irradianza di circa 1800 µmol m-2s-1. (a) massima efficienza quantica dei PSII (Fv/Fm), (b) dissipazionetermica (NPQ), (c) massima efficienza fotochimica dei PSII in condizioni di adattamento alla luce (Fv’/Fm’), (d) efficienza quantica

effettiva dei PSII (ψPSII). Ogni punto rappresenta la media di 5 repliche +s.e. (Smith e Cheng, 2005).Fig. 15 - Trends of the principal chlorophyll parameters in relation to active iron concentration measured on Vitis labrusca Bailey leavesat irradiance of about 1800 µmol m-2s-1. (a) maximum quantum yield of PSII (Fv/Fm), (b) Non Photochemical Quenching (NPQ), (c) PSII

maximal photochemical efficiency in light adaptation condition (Fv’/Fm’), (d) effective photochemical efficiency of PSII (ψPSII). Each pointis the average of 5 replicates + s.e. (Smith e Cheng, 2005).

fotosintesi (Losciale et al., 2008b). Risultati analoghisono stati ottenuti in pesco cv Yanfengyihao quandorami di branchette cariche e scariche sono stati anulatiper evitare la migrazione dei fotosintati verso altrireparti. Le foglie delle branchette scariche hanno evi-denziato un aumento della fotoinibizione e la riduzio-ne della fotosintesi netta (Li et al., 2007).

In pero (Pyrus communis L.) l’uso del Cotogno Ccome portinnesto conferisce un habitus nanizzante adiverse cultivar. Tale comportamento potrebbe esseredeterminato principalmente da una ridotta conducibi-lità idraulica riscontrata al punto di innesto (CorelliGrappadelli et al., 2001). Piante della cultivar Kaiserfranche di piede hanno mostrato conduttanza stomati-ca e tasso di fotosintesi netta fogliare più elevati diperi innestati su Cotogno C (EMC). Essendo stata sot-toposta alla stessa radiazione incidente, la tesi EMCha incrementato la dissipazione termica NPQ.Tuttavia il Non Photochemical Quenching non è statoin grado di proteggere completamente i fotosistemi e

al pomeriggio le piante innestate su Cotogno C hannomostrato un grado di fotoinibizione più elevato deiperi franchi di piede (Losciale et al., 2008d).

Conclusioni

I casi studio riportati avvalorano maggiormente lanotevole importanza dei processi biochimici e fisiolo-gici che sottendono alla fotoinibizione e fotoprotezio-ne. La pianta, paradossalmente, si difende dall’ecces-so luminoso relativo alle sue capacità dissipatoriespendendo energia. Al mancato utilizzo della radiazio-ne solare, infatti si associa l’effettiva perdita di ener-gia e di sostanza secca dovuta alla distruzione e rico-stituzione delle parti danneggiate, alla fotorespirazio-ne ed alla spesa di potere riducente determinata dal-l’attivazione dei cicli protettivi. Ciò nonostante se invitro i meccanismi della fotoinibizione e fotoprotezio-ne sono in gran parte chiari, in vivo l’effetto del soloeccesso luminoso o della sua interazione con altri


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Fig. 16 - Andamento delle attività dei principali enzimi implicati nel ciclo Glutatione-Ascorbato misurate a diverse concentrazioni di ferroattivo in foglie di Vitis labrusca Bailey sottoposte ad irradianza di circa 1800 µmol m-2s-1. (GR) glutatione riduttasi, (SOD) superossido

dismutasi, (DHAR) de-idroascorbato riduttasi, (MDHAR) mono de-idroascorbato riduttasi. Ogni punto rappresenta la media di 5 repliche+s.e. (Smith e Cheng, 2005).

Fig. 16 - Activity of the main enzymes involved in the Glutathione-Ascorbate cycle in relation to active iron concentration measured onVitis labrusca Bailey leaves at irradiance of about 1800 µmol m-2s-1. (GR) glutathione reductase, (SOD) superoxide reductase, (DHAR)

de-hydro ascorbate reductase, (MDHAR) mono de-hydro ascorbate reductase. Each point is the average of 5 replicates + s.e.(Smith and Cheng, 2005).

Fig. 17 - Andamento delle concentrazioni dei principali prodotti e reagenti implicati nel ciclo Glutatione-Ascorbato misurate a diverseconcentrazioni di ferro attivo in foglie di Vitis labrusca Bailey sottoposte ad irradianza di circa 1800 µmol m-2s-1. (AsA) acido ascorbico,

(DAsA) de-idroascorbato, (GSH) glutatione ridotto, (GSSG) glutatione ossidato. Ogni punto rappresenta la media di 5 repliche + s.e.(Smith e Cheng, 2005).

Fig. 17 - Content of the principal metabolites involved the Glutathione-Ascorbate cycle in relation to active iron concentration measuredon Vitis labrusca Bailey leaves at irradiance of about 1800 µmol m-2s-1. (ASA) ascorbic acid, (DAsA) de-hydro ascorbate, (GSH) reduced

glutathione, (GSSG) oxidized glutathione. Each point is the average of 5 replicates + s.e. (Smith and Cheng, 2005).

Losciale et al.

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Fig. 18 - Andamento dell’efficienza quantica effettiva (ºPSII) edissipazione termica (NPQ) rilevate a diverse densità di flusso inentrata su foglie di actinidia cv Hayward allevate ad alta (HighPFD, 1.100 µmol m-2s-1) e bassa (Low PFD, 250 µmol m-2s-1)

irradianza (Adattato da Greer e Halligan, 2001).Fig. 18 - Trends of (a) the effective photochemical efficiency ofPSII (ºPSII) and (b) Non Photochemical Quenching (NPQ) atdifferent photon pressure measured on kiwifruit cv Haywardleaves grown at high (High PFD, 1,100 µmol m-2s-1) and low

(Low PFD, 250 µmol m-2s-1) irradiance (Adapted from Greer eHalligan, 2001).

stress sul bilancio del carbonio e, soprattutto, sullaproduttività delle piante è, ad oggi, poco conosciuto.

Riassunto

Nel bacino del Mediterraneo si raggiungono spessointensità luminose superiori alle capacità fotosintetiz-zanti delle piante da frutto. L’eccesso energetico puòinnescare processi di foto-ossidazione con conseguen-ti perdite in efficienza fotosintetica. Le piante rispon-dono proteggendo e riparando i fotosistemi. In questareview vengono descritti i processi di fotoinibizione,foto-protezione e riparazione dal punto di vista biochi-mico e fisiologico. Inoltre viene riportata la principalemetodologia per la valutazione del grado di fotoinibi-zione e fotoprotezione e vengono esposti i risultati diricerche condotte su piante da frutto sottoposte adeccesso luminoso associato ad altri stress abiotici ed aparticolari condizioni fisiologiche.

Parole chiave: fotosintesi, foto-danno, NonPhotochemical Quenching, trasporti elettronici alter-nativi, eccesso luminoso.

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